Fuente de alimentación cuentagotas capacitiva para LED - ¿zener/condensador de desacoplamiento?

Supongamos que tiene una fuente de alimentación cuentagotas capacitiva estándar como la siguiente (de Wikipedia):

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Entiendo que estos funcionan bien para conducir LED ya que actúan como una fuente de corriente constante. Me preguntaba si el diseño podría simplificarse aún más (de forma segura) quitando el zener y el condensador de desacoplamiento: a los LED no les importa qué voltaje "ven", ya que de todos modos tienen un límite de corriente, y los ojos humanos no pueden detectar parpadeo de 120Hz.

Le mencioné esto a un amigo mío y señaló que la red eléctrica está sujeta a transitorios de voltaje de cosas como rayos y cargas inductivas que se apagan, y que C2 desviaría la mayoría de estos transitorios, protegiendo los LED, eso parece hacer sentido, supongo que C2 + la impedancia de entrada del circuito se comportaría como un filtro RC durante un transitorio.

Si ese es el caso, ¿para qué sirve el zener si la regulación de voltaje no es importante y por qué tantos diseños comerciales parecen incluir uno? Simulando un circuito similar con un pico de 50us/1kV (a la IEC 61000-4-5), los LED solo ven un pequeño aumento en el voltaje y la corriente: C2 limita significativamente el transitorio... pero si C2 no está, es un sub-milisegundo sobrecorriente incluso tan malo de todos modos?

Anexo: soy consciente de los peligros que plantea la falta de aislamiento galvánico con este diseño; esto es solo una hipótesis.
Esto no responde a su pregunta, pero por seguridad, y suponiendo que uno se encuentre en un país con un sistema de alimentación de red en vivo/neutro/tierra, colocaría R1, C1 y R2 en el lado de la línea de la alimentación. De esa manera, si hay una falla a tierra, no incendiará mis componentes.
En los diseños que he visto antes, había un fusible en el lado de la línea junto con C1 y R2. R1 estaba en neutral. Con esa configuración, parece que hay poco riesgo de incendio debido al fusible, ¿no? Aún mejor, he visto algunos que usan una resistencia fusible para R1, así que supongo que podría colocarse en cualquiera de los conductores de manera segura (aunque probablemente sea mejor fusionar el caliente, supongo).
La condición de falla que me preocupa es que alguna parte de su circuito se conecte a tierra. Esto crea una vía paralela para que la corriente regrese a la red eléctrica, a través del neutro ya través de tierra. Cualquier circuito de protección en el lado neutral, incluido R1 si estuviera en el lado neutral, o un fusible si estuviera en el lado neutral, podría ser potencialmente puenteado. Siempre es mejor fusionar el lado caliente, o al menos no se me ocurre una ocasión en la que pueda ser ventajoso hacerlo al revés.
Buenos puntos. En este diseño, R1 no es técnicamente un elemento de protección, es solo para limitar la irrupción, aunque supongo que se convierte en un factor de protección durante un transitorio.
Todavía no he decidido si intentar una respuesta con respecto a quitar la tapa y el "zener" que regulan la salida. Sin embargo, vale la pena señalar que los LED pueden fallar "lentamente". Es decir, pueden experimentar corrientes temporales por encima de su máximo absoluto nominal y aún así "funcionar" después. Sin embargo, puede ser que el LED haya sufrido daños menores pero apenas perceptibles. Con el tiempo, los pulsos repetitivos como este pueden hacer que el LED se atenúe cada vez más. Sin conocer las especificaciones LED exactas, es difícil decir cuánta regulación puede prescindir de forma segura.
@MathKeepsMeBusy no es importante cómo se organizan los componentes entre vivo y neutral. Lo más probable es que un dispositivo con una fuente de alimentación como esa esté contenido en una caja de plástico con dos puntas que sobresalgan (por ejemplo, una luz nocturna) y no tenga ninguna conexión externa por razones de seguridad, por lo que puede enchufarse en cualquier orientación. .
@Sólo yo. Sí, las fuentes de alimentación comerciales de este tipo están contenidas de forma segura dentro de un recinto aislante, y la polaridad de los cables no importa, ni dónde se colocan las resistencias/condensadores, etc. Sin embargo, si un experimentador está creando su propio circuito, podría no estar tan bien aislado. De ahí mi consejo.
@MathKeepsMeBusy Tienes razón en eso. Debido a que puede estar conectado en cualquier polaridad, no es seguro tocar ninguna parte del circuito y no es seguro conectar ninguna parte del circuito a ningún otro equipo como un osciloscopio.
¿Qué pasa con el modelo C2 en su simulación de sobretensiones? ¿Ha incluido ESR/ESL? Apuesto a que van a ser los más importantes para gobernar la respuesta transitoria.
@carloc No, pensé que para un electrolítico de aluminio estos valores serían insignificantes, pero supongo que debería reconsiderarlo. ¿Cuál sería la forma adecuada de calcular la respuesta transitoria de C2?

Respuestas (3)

Entiendo que estos funcionan bien para conducir LED ya que actúan como una fuente de corriente constante. Me preguntaba si el diseño podría simplificarse aún más (de forma segura) quitando el zener y el condensador de desacoplamiento

Hay muchas luces LED baratas como esta. Sin embargo, todos son inutilizables para cualquier cosa, excepto para las luces indicadoras, porque parpadean a 120 Hz.

En este diseño, R1 no es técnicamente un elemento de protección, es solo para limitar la irrupción

R1 debe ser una resistencia fusible , que es más económica en la producción en masa que una resistencia y un fusible. Estas resistencias están diseñadas para fallar al abrirse como un fusible.

R2 debe especificarse para soportar el voltaje, lo que probablemente significa varias resistencias en serie.

la red está sujeta a transitorios de voltaje de cosas como rayos y cargas inductivas que se apagan, y que C2 desviaría la mayoría de estos transitorios, protegiendo los LED; eso parece tener sentido, supongo que C2 + la impedancia de entrada del circuito se comportaría como un filtro RC durante un transitorio?

Si el transitorio es lo suficientemente rápido, eso depende principalmente de la ESR de C2. Los LED también pueden tolerar picos de corriente no repetitivos sorprendentemente altos.

Si ese es el caso, ¿para qué sirve el zener si la regulación de voltaje no es importante?

Para las luces LED, no veo ningún propósito para ello.

Cuando un componente absorbe un transitorio, la energía transitoria se convierte en calor. Entonces, su capacidad para absorber la energía de un transitorio proviene de la masa térmica de la parte del componente donde se produce la disipación. Una unión de semiconductores diminuta puede absorber mucha menos energía que una voluminosa resistencia dependiente del voltaje, por ejemplo. A menos que el zener sea mucho más voluminoso que los LED y esté clasificado para alta corriente, no tendrá mucha más capacidad de manejo de transitorios.

Es bueno saber acerca de los LED que manejan sobrecorrientes, ¡gracias! Hice algunas simulaciones adicionales con C1 en cortocircuito y la matriz de LED no se abrió y me di cuenta de que el zener entra en juego quemando el fusible y protegiendo a C2 de la sobretensión, respectivamente. Escuché que las resistencias fusibles son bastante terribles en su trabajo, y leer la hoja de datos de una parece confirmarlo; por ejemplo, una resistencia de 1 W en realidad no explotaría a menos que llegue a 30 W o más, lo que incluso es un cortocircuito en el rectificador + C1 fallando en corto no generaría. ¿No sería un fusible una opción más segura aquí?
Las resistencias fusibles tienen mucha más masa térmica que un fusible, por lo que tardan mucho en abrirse. Pero bueno, ¡cuesta un centavo menos! Tenga en cuenta que no estoy seguro de que el zener sobreviva el tiempo suficiente para quemar el fusible ...
En una simulación cruda, el zener tuvo que manejar (IIRC) ~ 100 W por menos de 1/4 de segundo. Probablemente pueda consultar la hoja de datos para confirmar esto, pero me imagino que un zener de 1.3W probablemente podría sobrevivir a eso, ¿no?
consulte la página 4 de esta hoja de datos para conocer la potencia del pulso... pero 1/4 s parece demasiado.
Mi error: lo recordé completamente mal. Aquí hay un circuito simulado que activa una COB LED de 32 V a 10 mA (resistencia de 3,3 k) con un fusible de 200 mA : tinyurl.com/y3l2oejh cerrando el interruptor para acortar el X2, el zener en esa hoja de datos experimentaría 2-3 pulsos de 65 W antes de que se funda el fusible . A 1/120 = 8,3 ms, eso parece estar cómodamente por debajo de la potencia de pulso pico de 0,1 kW que se muestra en ese gráfico, ¿correcto?
No estoy seguro, la hoja de datos usa un pulso que decae exponencialmente. Lo que importa es la energía total disipada.

Creo que he descubierto la respuesta a mi pregunta, al menos la mayor parte. Si el capacitor X2 falla, es posible que la carga por sí sola no consuma suficiente corriente para quemar un fusible, aunque puede consumir suficiente para sí misma o para R1 como para convertirse en un peligro de incendio. El zener sujeta suficiente corriente para quemar el fusible de línea rápidamente.

Mmm. Tal vez. Tiendo a pensar que la regulación, si se usa con LED, es más para reducir la corriente máxima que experimentan los LED, y quizás al hacerlo, permitirles tener una corriente promedio más alta. Pero tampoco estoy convencido de eso, porque el costo de un LED un poco más robusto puede ser menor que el costo del "zener" y la tapa. Ahora, si este suministro se usara con una cadena de LED, el costo del zener y la tapa puede ser menor que el costo de varios LED más robustos.
Sí, estoy pensando en LED COB en su mayoría en lugar de LED individuales. El zener también evitaría que C2 explote debido a una sobretensión si los LED se abren en circuito.

El zener está ahí para proporcionar regulación, ya que es un circuito para una fuente de alimentación regulada capacitiva de 5 V, no un circuito optimizado para conducir LED.

Más abajo en el artículo, se analiza un circuito que controla los LED, que no tiene todas las partes como el circuito anterior.

Entonces, para los LED, puede simplificar aún más la fuente de alimentación.

Pero decir que los ojos humanos no pueden detectar el parpadeo de 120 (o 100) Hz de los LED que se ejecutan sin un condensador, es simplemente algo incorrecto de suponer. Mucha gente lo hace, algunos son más sensibles a verlo que otros, incluso si no lo ves en absoluto.

Acabo de elegir la imagen de Wikipedia como ejemplo y porque pensé que estaría bien volver a publicarla aquí. Si busca esquemas para ellos, o lee notas de aplicación para diseñar uno, casi todos parecen decir que usan un zener y un capacitor de desacoplamiento, pero realmente no entran en el "por qué" más allá de la estabilidad del voltaje: ciertamente no se tocan sobre seguridad, supresión transitoria o cualquier otra cosa, que son las cosas que me interesaban.
Bueno, sería bueno si dijeras qué notas de aplicación. Si es la nota de aplicación de Microchip, puede estar bastante seguro de que está hecha para ayudar a las personas que encienden los productos de Microchip, como los microcontroladores, que necesitan suministros regulados.
Fuente de alimentación cuentagotas capacitiva para LED - ¿zener/condensador de desacoplamiento?
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