Fontes de Alimentação Sem Transformador: Solução Comprovada para Reduzir Custo e Espaço

Geralmente, um transformador abaixador ou fonte chaveada converte a alta tensão CA da rede em uma baixa tensão CA. Em seguida, realiza a conversão para uma tensão CC baixa desejada. Embora eficiente, o processo é custoso e exige mais espaço no projeto ou fabricação de um produto. Para reduzir esses desafios, utiliza-se uma fonte de alimentação sem transformador. Hoje, exploraremos mais sobre esse tipo de fonte. Discutiremos seus princípios de funcionamento, tipos e apresentaremos projetos de circuitos simples que você pode testar.

Transformador abaixador

O que é uma Fonte de Alimentação Sem Transformador?

Como o nome indica, uma fonte sem transformador produz tensão CC baixa a partir de alta tensão CA sem utilizar transformadores ou indutores.

(indutores)

Princípio de Funcionamento

O princípio baseia-se na conversão de CA monofásica de alta tensão em CC de baixa tensão. O conceito utiliza um circuito divisor de tensão que opera sem indutores ou transformadores. Além disso, o circuito incorpora processos como limitação de corrente de inrush, divisão de tensão, regulação e retificação.

O diagrama acima funciona da seguinte forma:

• O objetivo é converter a alta tensão CA monofásica (230V/120V) na tensão CC baixa requerida (5V/3V/12V).
• Os diodos retificam e regulam a alta tensão CA para baixa tensão CC.
• O capacitor (em série com a CA) limita o fluxo de corrente devido à sua reatância. Assim, a corrente atinge um valor específico conforme o tipo de fonte. Um capacitor classe X é sempre preferível.
• O resistor auxilia na dissipação de corrente e calor excessivos.
• O retificador em ponte elimina picos de tensão e, através da retificação, estabiliza a tensão de pico.
• A conexão a um LED testa o funcionamento do circuito.

Tipos de Fonte Sem Transformador

Existem dois tipos básicos:

Fonte Resistiva Sem Transformador

Utiliza um resistor redutor de tensão. Sua resistência ajuda a remover calor excessivo. Recomenda-se resistor com potência dobrada, pois dissipa mais energia.

Fonte Capacitiva Sem Transformador

Por outro lado, a fonte capacitiva apresenta baixa perda de potência e dissipação de calor. Aqui, um capacitor classe X (400V, 230V ou 600V) atua como capacitor redutor de tensão, eliminando o excesso de tensão.

Vantagens e Desvantagens

Vantagens

• Projeto barato e adequado para aplicações de baixa potência comparado a circuitos com transformador.
• Menos volumoso e compacto, exigindo menos espaço.

Desvantagens

• Não gera alta corrente de saída (1 Ampère). Favorece apenas aplicações ≤ 1A.
• Não há isolamento do circuito em relação ao potencial da rede CA, representando perigo ao manipulador.
• Dissipação excessiva de calor interfere na tensão de saída.
• Permite picos de tensão que podem destruir o circuito da fonte e o circuito alimentado.

Felizmente, os exemplos de circuitos abaixo oferecem soluções para alguns desses desafios. Continue lendo.

Quatro Circuitos Simples de Fonte Sem Transformador Explicados

Projeto Básico Sem Transformador

Circuito básico sem transformador

Operação e projeto do circuito

• C1 reduz a alta tensão CA (120V ou 220V da rede) para uma CC mais baixa para melhor carga de saída CC.
• Ao desconectar o circuito da rede, R1 fornece caminho de descarga para a alta tensão de C1, evitando choque nos pinos do plugue.
• D1 a D4 são retificadores em ponte. Convertem a baixa tensão CA de C1 em baixa tensão CC.
• A tensão CC resultante ainda é alta para a maioria dos dispositivos de baixa tensão, exceto relés. Um diodo Zener deriva o excesso para o valor requerido.
• R2 atua como resistor limitador de corrente. C1 oferece curto-circuito por milissegundos na primeira aplicação da CA. R2 previne danos à carga de saída.
• C2 atua como capacitor de filtro. Gera ripple suave de 100Hz dos retificadores para uma CC mais limpa.

Atualização para Fonte Estabilizada Sem Transformador

Transformaremos um circuito de fonte capacitiva em uma fonte estabilizada, variável ou livre de picos.

Circuito atualizado para fonte estabilizada

Projeto/operação do circuito

• Diodos 1N4007 retificam a tensão da rede enquanto o capacitor 10uF/400V a filtra. A tensão de pico retificada atinge 310V.
• A base do TIP122 (ou MJE13005) configura o divisor de tensão, mantendo a tensão de saída requerida. Pode-se obter 12V ajustando o potenciômetro de 10k entre terra/emissor do TIP122.
• O capacitor 220uF/50V cria tensão momentânea zero na base para desligar o circuito quando ligado.
• No período de ligação, o indutor, via bobina, restringe correntes de inrush e fornece alta resistência, prevenindo danos.

Observação: também pode-se usar o regulador de tensão IC7805 para obter tensão reduzida ou 5V.

Circuito de Fonte Sem Transformador com Detecção de Passagem por Zero

Nosso terceiro projeto aplica-se a fonte capacitiva para detecção de passagem por zero. Capacitores atuam como curto por milissegundos ao receber tensão de alimentação. Depois, carregam e retornam ao nível de saída especificado.

Projeto e Operação do Circuito

Circuito de passagem por zero

Passagem por Zero na Rede CA

O potencial da rede CA inclui ciclos de tensão que sobem e descem de zero ao máximo ou vice-versa com polaridades.

Quando a tensão da rede aproxima-se do pico do ciclo, há alta corrente e tensão. Ligar a fonte capacitiva nesse momento faz a alta tensão romper a carga CC e a fonte.

Por outro lado, na passagem por zero da rede, a tensão e corrente são fracas ao aproximar-se da fase zero. Ligar qualquer dispositivo agora é seguro e não há corrente de surto.

Resumindo: ligar a fonte capacitiva quando a entrada CA passa pela fase zero previne corrente de surto.

Como Funciona

• Ao ligar a alimentação, o triac mantém-se desligado por falta de driver de gate. A carga conectada à rede em ponte permanece desligada.
• A tensão de saída do capacitor 105V/400V passa pelos pinos 1/2 do optoacoplador para o LED IR. A resposta do LED IR monitora e processa a entrada. Quando o circuito detecta o ciclo CA aproximando-se da passagem por zero, a chave interna comuta.
• Por fim, dispara o triac, mantendo a unidade ligada até que seja desligada novamente.

Fonte Comutada Sem Transformador Usando CI 555

A solução final envolve o CI 555 em modo monoestável para regular o surto de inrush. O CI 555 incorpora o conceito de comutação na passagem por zero.

CI temporizador 555

Definição de Comutação na Passagem por Zero

Uma onda senoidal na rede CA começa no potencial zero. Em seguida, sobe progressivamente ao pico (120V ou 220V) e retorna ao zero. Chamamos esse ciclo de ciclo positivo.

Após o ciclo positivo, a forma de onda mergulha e repete o processo em direção negativa até o zero. Dependendo da rede, o ciclo ocorre 50 a 60 vezes por segundo.

Quando a forma de onda entra no circuito, qualquer ponto sem passagem por zero perturba o surto de ligação. A razão imediata é a alta corrente da forma de onda. A carga deve confrontar o interruptor LIGADO durante a passagem por zero para evitar problemas. Assim, uma subida gradual não apresenta perigo.

Circuito comutado sem transformador usando CI555

Operação do Circuito

Do nosso diagrama de circuito:

• Os quatro diodos 1N4007 operam como retificadores em ponte padrão, com a junção do cátodo produzindo ripple de 100 Hz.
• O divisor de tensão 47k/20K reduz a frequência de 100 Hz, que chega ao rail positivo do CI555. O potencial recebe regulação, então C1 e D1 o filtram.
• Através de resistor de 100k, a base de Q1 também recebe o potencial.
• Quando a CA da rede está acima de (+) 0.6V, Q1 mantém-se desligado. Porém, a forma de onda CA caindo abaixo de (+)0.6 Volts liga Q1. Além disso, aterra o pino2 e produz saída positiva no pino3 do CI.
• Posteriormente, a saída do CI liga a carga e o SCR, mantendo o estado até o período MMV passar. Então, um novo ciclo começa.
• Um tempo LIGADO estável gera corrente extra para a carga, contribuindo para LED mais brilhante. Pode-se variar o preset de 1M para definir o tempo LIGADO do monoestável. O circuito CI555 é restrito a CA próxima de zero, logo, sem surto de tensão no tempo LIGADO.

Aplicações de Fonte Sem Transformador

Aplicações compreendem principalmente dispositivos de baixo custo e baixa potência como:

• Conversores analógico-digitais,
• Lâmpadas LED,

(lâmpadas LED)

• Sistemas de comunicação digital,
• Carregadores de celular,
• Brinquedos eletrônicos,
• Receptores de TV,
• Luzes de emergência,

(luzes de emergência)

• Sistemas de telecomunicações, e
• Circuitos reguladores e divisores de tensão.

Conclusão

Em suma, circuitos de fonte sem transformador substituíram indubitavelmente fontes baseadas em transformador. Sua baixa produção de corrente beneficia aplicações de baixa tensão. Também são baratas e compactas.

O artigo detalha como construir seus circuitos sem transformador com os passos necessários. Se ainda tiver dúvidas, entre em contato conosco.