Este post explica como calcular valores de resistores e capacitores em circuitos de fonte de alimentação sem transformador usando fórmulas simples como a lei de ohms.
Analisando uma fonte de alimentação capacitiva
Antes de aprendermos a fórmula para calcular e otimizar os valores de resistores e capacitores em uma fonte de alimentação sem transformador, seria importante primeiro resumir um projeto de fonte de alimentação sem transformador padrão.
Referindo-se ao diagrama, os vários componentes envolvidos são atribuídos com as seguintes funções específicas:
C1 é o capacitor de alta tensão não polar que é introduzido para diminuir a corrente letal da rede elétrica para os limites desejados de acordo com a especificação de carga. Este componente torna-se assim extremamente crucial devido à função de limitação de corrente de rede atribuída.
D1 a D4 são configurados como uma rede retificadora em ponte para retificar a CA rebaixada de C1, a fim de tornar a saída adequada a qualquer carga CC pretendida.
Z1 está posicionado para estabilizar a saída nos limites de tensão seguros necessários.
C2 é instalado para filtrar qualquer ondulação no DC e 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, este 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. No entanto, com uma fonte de alimentação do tipo capacitivo com características peculiares e com LEDs conectados a ela, o cálculo da corrente, queda de tensão e 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 controle de corrente.
Avaliando a corrente em fontes de alimentação capacitivas
Normalmente, uma fonte de alimentação sem transformador produzirá uma saída com valores de corrente muito baixos, mas com tensões iguais às da rede CA aplicada (até que seja carregada).
Por exemplo, uma fonte de alimentação de 1 µF, 400 V (tensão de ruptura) quando conectada 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, esta tensão mostrará uma queda muito linear à medida que a saída é carregada e a corrente é extraída do reservatório de “70 mA”.
Sabemos que se a carga consumir todo o 70 mA significaria que a tensão cairia para quase zero.
Agora, como essa queda é linear, podemos simplesmente dividir a tensão de saída inicial pela corrente máxima para encontrar as quedas de tensão que ocorreriam para diferentes magnitudes de correntes de carga.
Portanto, dividindo 308 volts por 70 mA dá 4,4V. Esta é a taxa na qual a tensão cairá para cada 1 mA de corrente adicionada à carga.
Isso implica que se a carga consumir 20 mA de corrente, a queda de 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 apresentaria uma tensão igual à queda de tensão direta do LED (3,3V), isso ocorre porque o LED está afundando quase toda a corrente disponível do capacitor. No entanto, a tensão no LED não está caindo para zero porque a tensão direta é a tensão máxima especificada que pode cair através dele.
A partir da discussão e análise acima, fica claro que a tensão em qualquer 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”, porém em tensões mais altas essa corrente pode se tornar perigosa para o LED, portanto, trata-se de manter a corrente máxima igual a o limite máximo tolerável seguro da carga.
Calculando os valores do resistor
Resistor para a Carga: Quando um LED é usado como carga, é recomendado 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 for grande com saídas de corrente mais altas, provavelmente, conforme discutido acima, podemos incorporar um resistor para reduzir a corrente a 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 de ativação. Basicamente, protege a carga vulnerável da corrente de surto inicial.
Durante os períodos iniciais de ativação, o capacitor C1 atua como um curto-circuito completo, embora apenas por alguns milissegundos, e pode permitir que toda a saída seja de 220V.
Isso pode ser suficiente para explodir os circuitos eletrônicos sensíveis ou LEDs conectados à fonte, que também inclui o diodo zener estabilizador.
Como o diodo zener forma o primeiro dispositivo eletrônico em linha que precisa ser protegido do surto inicial, R2 pode ser calculado de acordo com as especificações do diodo zener e a corrente máxima do zener ou dissipação do zener.
A corrente máxima tolerável pelo zener para o nosso exemplo será de 1 watt / 12 V = 0,083 amperes.
Portanto R2 deve ser = 12 / 0,083 = 144 Ohms
No entanto, como a corrente de surto é de apenas milissegundos, esse valor pode ser muito menor que isso.
Aqui. não estamos considerando a entrada de 310V para o cálculo do zener, pois a corrente é limitada a 70 mA pelo C1.
Como R2 pode restringir desnecessariamente a corrente preciosa para a carga durante as operações normais, deve ser idealmente um resistor do tipo NTC. 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 dentro de C1, sempre que o circuito estiver desconectado da rede.
O valor de R1 deve ser o mais baixo possível para descarga rápida de C1, mas dissipar o calor mínimo enquanto estiver conectado à rede elétrica AC.
Como 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 max. 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 = 10,83K,
No entanto, o valor de 10,83K parece muito grande, e diminuiria substancialmente a iluminação do LED…. de qualquer forma, os cálculos parecem absolutamente legítimos…. então está faltando alguma coisa aqui??
Acho que aqui a voltagem “220” pode não estar correta porque no final das contas o LED estaria exigindo apenas 3,3V…. então por que não aplicar esse valor na fórmula acima e verificar os resultados? Caso você tenha usado um diodo zener, o valor zener pode ser aplicado aqui.
Ok, aqui vamos nós de novo.
R = 3,3/0,02 = 165 ohms
Agora isso parece muito melhor.
Caso você tenha usado, digamos um diodo zener de 12V antes do LED, a fórmula pode ser calculada conforme abaixo:
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.
A seleção de um capacitor de alto valor para uma carga relativamente menor pode aumentar o risco de uma corrente de surto excessiva entrar na carga e danificá-la mais cedo.
Pelo contrário, um capacitor devidamente calculado garante um surto controlado e uma dissipação nominal, mantendo a segurança adequada para a carga conectada.
Usando a Lei de Ohm
A magnitude da corrente que pode ser otimamente permissível através de uma fonte de alimentação sem transformador para uma carga específica 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 ímpar, pois estamos lidando com um capacitor como membro limitador de corrente.
Para quebrar isso, precisamos derivar um método que traduza o valor limite de corrente do capacitor em termos de Ohms ou unidade de resistência, para 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 de um resistor.
A fórmula da reatância é:
Xc = 1/2(pi)fC
onde Xc = reatância,
pi = 22/7
f = frequência
C = valor do capacitor em Farads
O resultado obtido da 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 mãos:
pi = 22/7 = 3,14
f = 50 Hz (frequência CA da rede elétrica)
e C= 1uF ou 0,000001F
Resolvendo a equação de reatância usando os dados acima dá:
Xc = 1 / (2 x 3,14 x 50 x 0,000001)
= 3184 ohms aproximadamente
Substituindo esse valor de resistência equivalente na fórmula da nossa lei de Ohm, obtemos:
R = V/I
ou I = V/R
Assumindo V = 220V (já que o capacitor se destina a trabalhar com a tensão da rede.)
Nós temos:
Eu = 220/3184
= 0,069 amperes ou 69 mA aproximadamente
Da mesma forma, outros capacitores podem ser calculados para conhecer sua capacidade ou classificação máxima de fornecimento de corrente.
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.
ATENÇÃO: O DESENHO ACIMA NÃO ESTÁ ISOLADO DA ENTRADA DA REDE, POR ISSO TODA A UNIDADE PODE FLUTUAR COM A REDE DE ENTRADA LETAL, TENHA MUITO CUIDADO AO MANUSEAR NA POSIÇÃO LIGADA.
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FONTE
Nota: Este conteúdo foi traduzido do Inglês para português (auto)
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