Fuentes de alimentación sin transformador: solución probada para reducir costes y espacio

Generalmente, un transformador reductor o una fuente conmutada convierten la alta tensión de la red alterna a una tensión alterna baja. Luego, la convierten a la tensión continua baja deseada. Aunque es eficiente, el proceso resulta costoso y requiere más espacio al diseñar o fabricar un producto. Para superar estos desafíos, se utiliza una fuente de alimentación sin transformador. Hoy exploraremos en detalle este tipo de fuente: su principio de funcionamiento, tipos y diseños de circuitos sencillos que puedes probar.

¿Qué es una fuente de alimentación sin transformador?

Como su nombre indica, una fuente de alimentación sin transformador produce tensión continua baja a partir de tensión alterna alta sin utilizar transformadores ni inductores.

Principio de funcionamiento

El principio se basa en la conversión de tensión alterna monofásica alta a tensión continua baja mediante un divisor de tensión que no emplea inductores ni transformadores. El circuito incorpora limitación de corriente de arranque, división de tensión, regulación y rectificación.

Funcionamiento del diagrama anterior:

• Objetivo: convertir CA monofásica alta (230V/120V) en CC baja requerida (5V/3V/12V).
• Los diodos rectifican y regulan la alta tensión alterna a continua baja.
• El condensador (en serie con la CA) limita el flujo de corriente por su reactancia, fijando la corriente según el tipo de fuente. Siempre es preferible un condensador de clase X.
• La resistencia ayuda a disipar el exceso de corriente y calor.
• El rectificador en puente elimina componentes de tensión no deseados y estabiliza el pico de tensión mediante rectificación.
• La conexión a un LED prueba el funcionamiento del circuito.

Tipos de fuente de alimentación sin transformador

Existen dos tipos básicos:

Fuente resistiva sin transformador

Utiliza una resistencia reductora de tensión que también disipa el exceso de calor. Se recomienda una resistencia con el doble de potencia nominal, ya que disipa más energía.

Fuente capacitiva sin transformador

Presenta bajas pérdidas de potencia y disipación de calor. Emplea un condensador de clase X (400V, 230V o 600V) como reductor de tensión, eliminando el exceso de voltaje.

Ventajas e inconvenientes

Ventajas

• Diseño económico, ideal para aplicaciones de baja potencia frente a circuitos con transformador.
• Menos voluminosa y compacta, requiere menos espacio.

Desventajas

• No puede generar corrientes altas de salida (1 Amperio); solo apta para ≤1 A.
• No hay aislamiento galvanico de la red de CA, lo que supone un peligro para el manipulador.
• La disipación excesiva de calor interfiere con la tensión de salida.
• Permite sobretensiones que pueden destruir el circuito de alimentación y la carga.

Los ejemplos de circuitos a continuación ofrecen soluciones a algunos de estos desafíos. Sigue leyendo.

Cuatro circuitos simples de fuente sin transformador explicados

Diseño básico sin transformador

Funcionamiento y diseño del circuito

• C1 reduce la alta tensión de red (120V o 220V) a una CC más baja para la carga.
• Al desconectar de la red, R1 proporciona una ruta de descarga para el alto voltaje de C1, evitando descargas en los pines del enchufe.
• D1-D4 forman un rectificador en puente que convierte la CA baja de C1 en CC baja.
• La CC resultante sigue siendo alta para la mayoría de dispositivos de baja tensión (excepto relés). Un diodo Zener deriva el exceso al valor requerido.
• R2 actúa como resistencia limitadora de corriente. C1 ofrece cortocircuito momentáneo al conectar la red; R2 protege la carga.
• C2 funciona como condensador de filtro, suavizando las ondas de 100Hz del rectificador a una CC más limpia.

Mejora: fuente estabilizada sin transformador

Transformamos una fuente capacitiva en una fuente estabilizada, variable y libre de picos.

Diseño/funcionamiento

• Los diodos 1N4007 rectifican la tensión de red; el condensador 10uF/400V la filtra. El pico rectificado alcanza 310V.
• La base del TIP122 (o MJE13005) configura el divisor de tensión, manteniendo la salida requerida. Un potenciómetro de 10k entre tierra/emisor permite obtener 12V.
• El condensador 220uF/50V crea tensión cero momentánea en la base para apagar el transistor en circuito encendido.
• Durante el encendido, la bobina del inductor limita la corriente de arranque y aporta alta resistencia, previniendo daños.

Nota: también puedes usar el regulador IC7805 para obtener 5V o tensiones reducidas.

Fuente sin transformador con detección de cruce por cero

Este proyecto aplica una fuente capacitiva para detección de cruce por cero. Los condensadores actúan como cortocircuitos durante milisegundos al recibir tensión, luego cargan y vuelven a su nivel especificado.

Diseño y funcionamiento del circuito

Cruce por cero en la red de CA

El potencial de red incluye ciclos de tensión que suben y bajan de cero a máximo con polaridades cambiantes. Al encender cerca del pico, la alta tensión/corriente atraviesa la carga y la fuente. En el cruce por cero, la tensión y corriente son débiles; encender entonces es seguro y evita picos de corriente.

Cómo funciona

• Al encender, el triac permanece apagado por falta de señal en su gate; la carga conectada al puente también está apagada.
• La tensión del condensador 105V/400V alimenta los pines 1/2 del optoacoplador, activando su LED IR. La respuesta del LED monitoriza la entrada; al detectar el cruce por cero, el interruptor interno conmuta.
• Dispara el triac, manteniendo la unidad encendida hasta que se apaga manualmente.

Fuente conmutada sin transformador usando IC 555

La solución final emplea el IC 555 en modo monoestable para regular el pico de arranque, incorporando el concepto de conmutación en cruce por cero.

Definición de conmutación en cruce por cero

Una onda senoidal en CA comienza en potencial cero, sube a pico (120V o 220V), vuelve a cero (semiciclo positivo). Luego repite en dirección negativa. Según la red, el ciclo ocurre 50-60 veces/seg. Cualquier punto no nulo al encender genera pico de corriente. La carga debe conectarse en el cruce por cero para subida gradual sin peligro.

Funcionamiento del circuito

• Cuatro diodos 1N4007 forman rectificador en puente estándar; la unión de cátodos produce rizado de 100 Hz.
• El divisor 47k/20K reduce la frecuencia de 100 Hz al rail positivo del IC555; se regula y filtran con C1 y D1.
• A través de 100k, la base de Q1 recibe el potencial.
• Cuando CA supera +0.6V, Q1 permanece apagado. Al bajar de +0.6V, Q1 conduce, pone a tierra pin2 y genera salida positiva en pin3 del IC.
• La salida del IC enciende la carga y el SCR hasta que finaliza el periodo monoestable; comienza nuevo ciclo.
• Un tiempo ON estable genera corriente extra a la carga (LED más brillante). El preset de 1M ajusta el tiempo ON. El IC555 restringe la activación cerca del cruce por cero, evitando picos de tensión.

Aplicaciones de la fuente sin transformador

Principalmente dispositivos de bajo coste y baja potencia:

• Convertidores analógico-digitales
• Bombillas LED

• Sistemas de comunicación digital
• Cargadores móviles
• Juguetes electrónicos
• Receptores de TV
• Luces de emergencia

• Sistemas de telecomunicaciones
• Circuitos reguladores y divisores de tensión

Conclusión

En definitiva, las fuentes sin transformador han reemplazado a las basadas en transformador en muchas aplicaciones. Su baja corriente beneficia a dispositivos de baja tensión; son baratas y compactas.

El artículo detalla cómo construir tus propios circuitos sin transformador con los pasos necesarios. Si necesitas más información, contáctanos.