La impactante verdad sobre las fuentes de alimentación sin transformador

Las fuentes de alimentación sin transformador están apareciendo mucho aquí en Hackaday, especialmente en productos económicos donde el costo de un transformador aumentaría significativamente la lista de materiales. Pero las fuentes de alimentación sin transformador son un arma de doble filo. ¿Ese título? No clickbait. Hurgar en un dispositivo sin transformador puede convertir su osciloscopio en una pila humeante o electrocutarse si no los comprende y toma las precauciones de seguridad adecuadas.

Pero esto no es una pieza de miedo. Los diseños sin transformador son geniales en el lugar que les corresponde, y probablemente encontrará uno algún día porque están en todo, desde bombillas LED hasta interruptores IoT WiFi. Vamos a ver cómo funcionan y cómo diseñarlos y trabajar en ellos de manera segura, porque nunca se sabe cuándo es posible que desee piratear uno.

Aquí está el remate: las fuentes de alimentación sin transformador se pueden usar de manera segura solo en situaciones en las que se puede encerrar todo el dispositivo y nadie puede entrar en contacto accidentalmente con ninguna parte. Eso significa que no hay conexiones eléctricas físicas de entrada o salida: RF e IR son un juego justo. Y cuando trabajas con uno, tienes que saber que cualquier parte del circuito puede estar a tensión de red. ¡Ahora sigue leyendo para ver por qué!

Una fuente de alimentación sin transformador (TPS) es básicamente un divisor de voltaje que toma los 115 o 220 VCA de su pared y los divide en el voltaje que desee. Si ese voltaje debe ser CC, se rectifica a través de unos pocos diodos y tal vez se regula a un voltaje máximo, pero llegaremos a eso en un minuto.

Normalmente, los divisores de voltaje de CC se fabrican con un par de resistencias. Combinados, definen la corriente que fluye a través de la ruta, y luego se puede elegir la resistencia superior para eliminar la diferencia entre el voltaje de entrada y la salida deseada. Si, en nuestro caso, esa diferencia es de unos cien o doscientos voltios, aunque solo tenga que pasar unas decenas de miliamperios, esa resistencia se va a calentar rápidamente.

Un mejor componente para usar en la parte superior del divisor es un capacitor, con su reactancia elegida para brindar la "resistencia" deseada en cualquier frecuencia de la red donde viva. Por ejemplo, supongamos que quiere 25 miliamperios a 5 V y está en Estados Unidos y necesita bajar 110 V. R = V / I = 4400 Ω. Usando la reactancia de un capacitor, eso es C = 1 / (2 * pi * 60 Hz * 4400) = 0.6 μF. Si necesita más corriente, use un capacitor más grande y viceversa. ¡Es fácil!

Un diseño TPS completamente elaborado requiere algunas piezas más. Por seguridad y para limitar la corriente de entrada, es una buena idea un fusible y una resistencia limitadora de corriente de un vatio en la entrada. Una resistencia de descarga de gran valor en paralelo con el capacitor reactivo evitará que retenga su alto voltaje y lo sorprenda cuando el circuito esté desenchufado.

Y hablando de ese capacitor, es una parte del circuito crítica para la seguridad. Está sometido a tensiones alternas altas continuas y si falla, la salida de "5 V" está en tensión de red y las piezas pueden incendiarse. Este es un trabajo para un capacitor con clasificación X. Los verá marcados como X1 o X2 en su mayoría, y X1 puede soportar picos de voltaje más altos. Cualquiera de los dos funcionará, solo asegúrese de que tenga una clasificación X y esté especificado para su nivel de voltaje de red.

Después del condensador, la CA que pasa debe rectificarse en CC. Aquí funcionará un rectificador normal de media onda o de onda completa: un puñado de diodos y un condensador de suavizado de gran valor. Si la carga no es constante, probablemente querrá limitar el voltaje máximo visto por el capacitor con un diodo Zener, de modo que el exceso de corriente se desvíe a tierra cuando la carga consuma menos de los 25 miliamperios para los que diseñamos. Estas partes solo ven voltajes bajos, por lo que no hay requisitos especiales aquí.

Finalmente, tenga en cuenta que hay muchas configuraciones posibles de este circuito. En lugar de dejar caer la mayor parte del voltaje entre la corriente y nuestro dispositivo, también es posible conectar nuestro dispositivo directamente al cable vivo, con el capacitor en la pata inferior del divisor de voltaje: el mismo circuito al revés. El fusible y las resistencias de seguridad pueden ubicarse en cualquier parte del circuito, por supuesto. Pero los conceptos básicos son los mismos: el capacitor actúa como una pata en un divisor de voltaje, seguido de una rectificación y regulación, con la carga como la otra pata.

La gran advertencia con un circuito TPS es que debe estar aislado. Eso está totalmente bien para un interruptor IoT autónomo o un atenuador de luz de bricolaje. Un TPS es una buena combinación para el control por radio o IR. Todas las bombillas LED usan TPS en el interior porque son baratas y están completamente selladas. Pero si está pensando en tocar cualquier parte de este circuito, o enchufar cualquier línea de señal en él, debería buscar un transformador en su lugar.

¿Por qué el aislamiento total? Tenga en cuenta que el cable que sirve como referencia a tierra del circuito es el mismo que la línea neutral de su hogar (en contraste con la línea "activa"). Ahora imagínese poniendo por error el enchufe al revés. La tierra está caliente, y aunque el dispositivo funciona bien porque la CA es simétrica, se convierte en un peligro de electrocución si puede entrar en contacto con la "tierra". Enchufe un conector serie USB en este dispositivo y acaba de freír su computadora portátil a través de la línea de "tierra". Entonces, la primera línea de defensa es usar enchufes polarizados que no se puedan enchufar mal. Si vives en Europa, esta puede no ser una opción.

Pero incluso los enchufes polarizados no son suficientes. Algunas casas antiguas (incluido un apartamento en el que vivimos en Washington, DC) tienen las líneas neutra y directa invertidas. Nuevamente, nunca lo notará hasta que toque tierra "neutral" y real al mismo tiempo, pero cuando lo hace, puede ser fatal. Puede, y probablemente debería, probar esto con un multímetro ahora mismo. Cuando se hace referencia a tierra, la línea neutra debe presentar un voltaje de CA, mientras que la línea activa leerá 115 o 220 VCA. Verifíquelos con los tipos de enchufes locales.

De todos modos, incluso si obtiene la polarización correcta del enchufe, hay una diferencia entre las líneas neutral y de tierra de su toma de corriente. Los códigos en los EE. UU. y la UE dicen que neutral es la línea que lleva corriente y que, en condiciones normales, la tierra no debe llevar ninguna. Los interruptores de circuito de falla a tierra (GFCI) hacen cumplir esto en la práctica. Aún así, las cargas altas en otras partes de su casa, junto con una resistencia no despreciable en el cableado, pueden generar un voltaje V = IR en la línea neutral. Un desequilibrio en el transformador de servicio que divide las "fases" de la energía que ingresa a su hogar también puede alejar el voltaje neutral de tierra, dependiendo de dónde esté conectado a tierra. En resumen, neutral debe estar alrededor del suelo, pero no está garantizado.

La única forma de estar absolutamente seguro con este circuito es nunca entrar en contacto con él. Póngalo en una caja no conductora, o una de metal que esté conectada a tierra de seguridad. Si se enchufa al revés, o si el cable neutral se calienta, nadie sale lastimado. Eso es lo que hacen los profesionales.

¿Qué más puede salir mal con este circuito? Elegimos el capacitor reactivo para que tuviera la resistencia correcta a 50 o 60 Hz, pero es menos resistivo a frecuencias más altas. Si tiene dispositivos de conmutación de alta frecuencia en algún lugar de su hogar, pueden impulsar una corriente inesperada a través de su TPS. Los picos rápidos de la línea eléctrica pasan directamente, por ejemplo, y amortiguarlos es una de las razones de la resistencia de entrada. ¿Rayo? ¡Blammo! ¿Algo más que pueda salir mal? ¡Déjanos un comentario! (Pero no menciones a Muphry).

Una fuente de alimentación basada en un transformador será un poco más cara y un poco más grande que un TPS equivalente. Pero si no puede encerrar completamente el dispositivo, o no puede garantizar absolutamente la polaridad de la energía entrante, no puede usar un TPS de manera segura. Para el uso personal diario, siempre elegiré una fuente de alimentación conmutada o de pared. ¿No vale un par de dólares estar aislado galvánicamente de la pared?

Por otro lado, los TPS se encuentran en todo tipo de dispositivos que nos gusta piratear, por lo que debe reconocerlos en la vida real. Busque el fusible o el capacitor grande con clasificación X1 o X2 y estará en el camino correcto. (¿Tiene una resistencia de purga en paralelo? De lo contrario, podría estar caliente). La resistencia limitadora de corriente es la gran cosa de cerámica apenas visible detrás de la tapa X2. El fusible está vestido para una noche en la ciudad, con un número de una sola pieza, negro y retráctil.

Luego, encuentre su camino a la sección de rectificación: un rectificador de onda completa de cuatro diodos y un capacitor de 100 μF en este interruptor de pared de RF económico. Los diodos apuntan hacia el riel de CC positivo y lejos del negativo.

Ahora busque diodos Zener. En el caso de este interruptor controlado por RF, hay dos: un Zener de 25 V que se usa para activar el relé y un Zener de 5 V que alimenta el IC y los circuitos de radio. Esta es una característica útil del circuito TPS. Dado que el capacitor pasa algo de corriente siempre que el voltaje de CC no exceda los picos de CA, puede obtener prácticamente cualquier voltaje, o múltiples, del mismo circuito simplemente eligiendo los Zener correctos.

Querrá evitar trabajar en un TPS encendido tanto como sea posible, pero hay formas de hacerlo de manera segura. Este es un caso excelente para un transformador de aislamiento, que esencialmente interpone el transformador en el circuito que le falta. Todavía hay un par de cables en su circuito con 115 o 220 V entre ellos, pero al menos con el transformador puede conectar su alcance al dispositivo.

Sin un transformador de aislamiento, puede hacer mucho con un multímetro alimentado por batería (sin conexión a tierra). Enchufe el dispositivo TPS en un cable de extensión con un interruptor y mantenga ese interruptor apagado tanto tiempo como sea posible. Para tomar lecturas: desenchufe el TPS, suelde los cables donde desea tomar una medida, conéctelos a su multímetro, retroceda y encienda la regleta. Una vez que haya realizado la lectura, apáguelo y espere un segundo antes de tocar nada.

La única parte de un TPS que puede mantener la carga es el capacitor reactivo, y es por eso que debe tener una resistencia de purga a través de él. En nuestro circuito de ejemplo, 0,6 μF * 1 MΩ = 0,6 segundos, y probablemente esté bien esperando al menos cinco de estas constantes de tiempo antes de tocar algo, así que cuente hasta tres. El interruptor de RF pasa por alto un condensador de 0,33 μF con 220 kΩ, por lo que es más seguro y rápido. (También usa dos resistencias SMT en serie, presumiblemente porque la clasificación de voltaje de cualquiera de las dos por sí sola no era suficiente. Diseño inteligente).

Puede averiguar qué partes del circuito tienen qué voltajes midiéndolas con respecto al pin de tierra del enchufe de la pared. Por ejemplo, con una resistencia de seguridad de 560 Ω en el tramo de retorno, la "tierra" del interruptor de RF en realidad flota unos 12 VCA por encima de la tierra. Vale la pena saber esto al hurgar. Nuevamente, conecte sus sondas, retroceda, encienda, lea, apague, espere.

Y eso es todo lo que hay que hacer. Ahora puede averiguar qué voltajes hay en el dispositivo y secuestrarlos para sus propios fines. Solo asegúrate de que, hagas lo que hagas, todo encaje en su bonito estuche. Porque aunque los TPS son omnipresentes, pequeños y baratos, son potencialmente (¡je, je!) demasiado calientes para tocarlos.