A chocante verdade sobre fontes de alimentação sem transformador

As fontes de alimentação sem transformador estão aparecendo muito aqui no Hackaday, especialmente em produtos baratos, onde o custo de um transformador aumentaria significativamente o BOM. Mas as fontes de alimentação sem transformador são uma faca de dois gumes. Esse título? Não clickbait. Bisbilhotar em um dispositivo alimentado por transformador pode transformar seu osciloscópio em uma pilha fumegante ou eletrocutá-lo se você não os entender e tomar as devidas precauções de segurança.

Mas esta não é uma peça assustadora. Os designs sem transformador são ótimos em seu devido lugar, e você provavelmente encontrará um algum dia, porque eles estão em tudo, desde lâmpadas LED a switches WiFi IoT. Vamos ver como eles funcionam e como projetá-los e trabalhar neles com segurança, porque você nunca sabe quando pode querer hackear um.

Aqui está a conclusão: as fontes de alimentação sem transformador podem ser usadas com segurança apenas em situações em que todo o dispositivo pode ser fechado e ninguém pode acidentalmente entrar em contato com qualquer parte dele. Isso significa que não há conexões elétricas físicas dentro ou fora - RF e IR são um jogo justo. E quando você trabalha com um, precisa saber que qualquer parte do circuito pode estar na tensão da rede. Agora continue a ler para ver o porquê!

Uma fonte de alimentação sem transformador (TPS) é basicamente apenas um divisor de tensão que pega 115 ou 220 VAC de sua parede e os divide em qualquer tensão que você desejar. Se essa tensão precisa ser CC, ela é retificada por meio de alguns diodos e talvez regulada para uma tensão máxima, mas chegaremos a isso em um minuto.

Normalmente, os divisores de tensão CC são feitos com um par de resistores. Combinados, eles definem a corrente que flui pelo caminho, e o resistor superior pode ser escolhido para reduzir a diferença entre a tensão de entrada e a saída desejada. Se, no nosso caso, essa diferença for de uns cem ou duzentos volts, mesmo que tenha que passar apenas algumas dezenas de miliamperes, esse resistor vai esquentar rapidamente.

Um componente melhor para usar no topo do divisor é um capacitor, com sua reatância escolhida para dar a "resistência" desejada em qualquer que seja a frequência da rede onde você mora. Por exemplo, digamos que você queira 25 miliamperes a 5 V e esteja na América e precise diminuir 110 V. R = V / I = 4.400 Ω. Usando a reatância de um capacitor, isso é C = 1 / (2 * pi * 60 Hz * 4400) = 0,6 μF. Se precisar de mais corrente, use um capacitor maior e vice-versa. É tão fácil!

Um projeto TPS totalmente elaborado requer mais algumas peças. Por segurança e para limitar a corrente de irrupção, um fusível e um resistor limitador de corrente de um watt na entrada são uma boa ideia. Um resistor de descarga de grande valor em paralelo com o capacitor reativo impedirá que ele mantenha sua alta tensão e cause choques quando o circuito for desconectado.

E por falar nesse capacitor, é uma parte crítica do circuito para a segurança. Ele está sujeito a altas tensões alternadas contínuas e, se falhar, a saída "5 V" está na tensão de rede e as peças podem pegar fogo. Este é um trabalho para um capacitor de classificação X. Você os verá marcados como X1 ou X2 principalmente, com X1 sendo capaz de suportar picos de tensão mais altos. Qualquer um serve, apenas certifique-se de que seja classificado como X e especificado para o seu nível de tensão de rede.

Depois do capacitor, a CA que passa precisa ser retificada em CC. Um retificador normal de meia onda ou onda completa funcionará aqui: um punhado de diodos e um capacitor de suavização de grande valor. Se a carga não for constante, você provavelmente desejará limitar a tensão máxima vista pelo capacitor com um diodo Zener, de modo que o excesso de corrente seja desviado para o terra quando a carga consumir menos do que os 25 miliamperes para os quais projetamos. Essas peças veem apenas baixas tensões, portanto, não há requisitos especiais aqui.

Finalmente, note que existem muitas configurações possíveis deste circuito. Em vez de diminuir a maior parte da tensão entre o vivo e nosso dispositivo, também é possível conectar nosso dispositivo diretamente ao fio energizado, com o capacitor na parte inferior do divisor de tensão - o mesmo circuito de cabeça para baixo. O fusível e os resistores de segurança podem estar localizados em qualquer lugar do circuito, é claro. Mas o básico é o mesmo: o capacitor atua como uma perna em um divisor de tensão, seguido por alguma retificação e regulação, com a carga como a outra perna.