Qué es una fuente capacitiva y cómo funciona. Construye una

¿Qué es una fuente capacitiva?

Una fuente capacitiva es un circuito electrónico diseñado para convertir la corriente alterna de la red eléctrica en un voltaje continuo y bajo. Es decir que, convierte 110 o 220 voltios AC en, por ejemplo, 3, 5 o 12 voltios DC, para alimentar dispositivos de pequeño consumo.

Su característica principal es que reemplaza el pesado y costoso transformador por un condensador de poliéster. Este aprovecha la frecuencia de la corriente alterna para actuar como una «resistencia reactiva» que frena el paso del exceso de corriente sin generar calor.

Ventajas y Desventajas de una Fuente Capacitiva (sin transformador)

Ventajas:

Económica y compacta: Requiere muy pocos componentes, lo que la hace sumamente barata, liviana y pequeña.

Sin calor excesivo: A diferencia de reducir el voltaje con una simple resistencia, el condensador frena la corriente sin convertir la energía sobrante en calor.
Alta durabilidad: Al no tener componentes mecánicos ni transformadores que se degraden fácilmente, puede durar muchos años.

Desventajas:

Riesgo eléctrico elevado: No tiene aislamiento galvánico. Esto significa que cualquier parte del circuito está conectada directamente a la red de 110V. Si se toca una pista o un LED encendido, se puede sufrir una descarga eléctrica peligrosa.

Corriente muy limitada: Solo sirve para circuitos de muy bajo consumo (generalmente menos de 50 a 100 mA).
Sensible a picos de voltaje: Los ruidos y sobrevoltajes bruscos de la red eléctrica pueden dañar los componentes fácilmente si no están bien protegidos.

Componentes básicos

Los componentes básicos de una fuente capacitiva son:

Condensador de entrada: En lugar de un transformador, esta fuente utiliza un condensador de poliéster (figura 1) en serie con la red eléctrica. Su función es actuar como una ‘resistencia especial’ que controla el paso de la corriente alterna sin consumir energía ni calentarse. Esta ‘resistencia’ se llama reactancia capacitiva (X_C), se mide en ohmios (Ω) y se calcula con la fórmula:

X_c=\frac{1}{2\pi\times f\times C}

Donde f es la frecuencia de la red (50Hz o 60 Hz según el país) y C es la capacidad del condensador en Faradios.

Adicionalmente, el condensador debe soportar, por lo menos, el doble del voltaje de la red.

Resistencia de descarga: Su función es vaciar la carga eléctrica que almacena el condensador cuando el dispositivo se desenchufa. Esto disminuye el riesgo de descargas eléctricas. A mayor resistencia, pasa menos corriente por ella y disipa menos calor. Puede ser de 470K o mayor y por lo menos de 0,5W. (una opción es colocar dos resistencias de 220k y 0,25w en serie).

Puente rectificador: Su función es convertir la corriente alterna de la red en corriente continua.
Condensador electrolítico (filtro): funciona como un tanque de reserva que absorbe y entrega energía, «aplanando» las ondas y estabilizando la señal. Mientras mayor sea el consumo de corriente, mayor debe ser el condensador. El voltaje de trabajo debe ser de al menos un 50% superior al voltaje regulado por el Zener. Por ejemplo, para un Zener de 12v, el voltaje del condensador debe ser de 18v o más.
Diodo Zener: El Guardián del Voltaje. Para fijar un voltaje constante (por ejemplo, 12V), se utiliza un Diodo Zener en paralelo con el condensador electrolítico. La potencia del Zener, se halla multiplicando el voltaje por la corriente máxima de la fuente.

Galería de componentes

Condensadores de poliéster usados, entre otras cosas, como condensadores de entrada en una fuente capacitiva. — Figura 1. Condensadores de poliéster.

Puentes rectificadores — Figura 3. Puente rectificador.

Condensadores electrolíticos — Figura 4. Condensador electrolítico (filtro).

Figura 5. Diodos Zener (reguladores de voltaje en fuentes capacitivas).

Cálculo de una fuente capacitiva

Cálculo de la reactancia capacitiva

Para calcularla se deben conocer la frecuencia de la red y la capacitancia del condensador en faradios. Por ejemplo, para un capacitor de un microfaradio, se procede así:

Primero, pasamos capacitancia a faradios. Como un microfaradio es una millonésima de faradio, para pasar de microfaradios a faradios se divide entre un millón (10⁶) o lo que es lo mimo, se multiplica por (10^-6). Entonces 1uf = 0,000001f.

Si la frecuencia de la red es de 60Hz, la fórmula queda

X_C=\frac{1}{2\pi\times60\times0,000001}=2652,58\Omega

Es decir que, la reactancia capacitiva es de 2652,6 ohmios.

La idea de usar la reactancia capacitiva (X_C) para limitar la corriente en un circuito de corriente alterna, se debe al ingeniero Charles Proteus Steinmetz.

Cálculo de la corriente

Para calcular la corriente (I) que entrega la fuente se usa fórmula de la ley de Ohm. se debe saber el voltaje de red (supongamos 110V) y la reactancia capacitiva (hallada en el paso anterior, 2652,6Ω). entonces

I=\frac{V_{red}}{X_C}=\frac{110}{2652,6}=0,0414A

La corriente que entrega la fuente es 0,0414 amperios o 41,4 miliamperios.

Cálculo de la potencia disipada por la resistencia de descarga

Si la resistencia de descarga es de 470k, se representa el valor en ohmios. 470k = 470000Ω. Entonces la potencia (P) disipada es:

P=\frac{V^2_{red}}{R}=\frac{110^2}{470000}=0,026

En resumen, la resistencia disipa 0,026 watts. Entonces, se requiere una resistencia de 0,25 watt o de 0,5 watt.

Cálculo de la potencia del Zener

Para saber la potencia del Zener, se multiplica el voltaje de la fuente por la corriente. Si la fuente es de 12V, la potencia (P) es:

P = 12V × 0,0414A = 0,49 watt

Por tanto, se usa un Zener de 1 watt, como el 1N4742A.

En conclusión, para calcular una fuente capacitiva se usan las leyes de la electricidad más comunes.

Cálculo del condensador electrolítico (filtro)

El condensador (C) usado como filtro, se calcula con la fórmula

C=\frac{I}{2\times f\times V_r}

Donde I es la corriente, f es la frecuencia de la red y V_r es el voltaje de rizado (voltaje de la fuente).

Para una fuente de 12v y 40mA se tiene

C=\frac{0,04}{2\times 60\times 12}=0,00002777f

Este valor equivale a $27,77\mu f$ . El valor comercial más cercano, por arriba, es de $33\mu f$ . Sin embargo, en las fuentes de alimentación, la regla de oro para el capacitor de filtrado siempre es: «mejor que sobre a que falte». por lo tanto, puede usarse uno aún mayor ( $47\mu f$ por ejemplo) sin exagerar el tamaño.

Ejemplo práctico: cálculo de una fuente capacitiva de 12v para led

Supongamos que nos piden construir una fuente capacitiva para lámpara led. La fuente debe ser de 12V y entregar 40mA para conectar 2 series led de 20mA cada una. Además, la red local, donde se usará, es de 120V con frecuencia de 60Hz.

¿Como hacer una fuente capacitiva con estas características?

Primero, se aumenta, en 10%, la corriente solicitada. Esto se hace porque la corriente después de puente rectificador es, aproximadamente, 10% menor que la entregada por el condensador de entrada. Por tanto, se multiplican los 40mA por 1,1.

I = 40mA × 1,1 = 44mA = 0,044A.

Se trabaja con el valor en amperios.

Segundo, se usa la ley de ohm ( $I=\frac{V_{red}}{X_C}$ ) para calcular la reactancia capacitiva del condensador que se necesita.

X_C=\frac{V_{red}}{I}=\frac{120}{0,044}=2727\Omega

Tercero, se aplica la fórmula de la reactancia capacitiva para hallar el valor (capacitancia) del condensador. De dicha fórmula se tiene que:

C=\frac{1}{2\pi\times f\times X_c}

C=\frac{1}{2\pi\times60\times2727}=0,00000097f

Este valor que, está en faradios. Para pasarlo a microfaradios se multiplica por un millón (10⁶). De donde se obtiene que se necesita un condensador de $0,97\mu f$ . El valor comercial más cercano es de $1\mu f$ .

Enseguida nos enfocamos en la resistencia de descarga. Se recomienda que sea igual o mayor a 470K y 0,5watts. Veamos si esta potencia es suficiente:

P=\frac{V^2_{red}}{R}=\frac{120^2}{470000}=0,03

Apenas disipa 0,03 watt, así que una resistencia de 470k y 0,5watts está bien para el proyecto.

Ahora lo más fácil

Para continuar, seleccionamos un puente rectificador que soporte bien el voltaje de red. Por ejemplo, el w04 que soporta 400V. También, podemos hacerlo con 4 diodos 1N4007.

El siguiente componente es el filtro. Este debe soportar, por lo menos, 50% más voltaje que la fuente. Para la fuente de 12V, debe ser mínimo de 18v, sin embargo, el valor comercial más cercano es de 25V. Por otro lado, su capacitancia, como se calculó arriba, debe ser de $33\mu f$ (podemos usar uno de 470μf por 25V).

Finalmente, se selecciona el Zener, el corazón del circuito. Obviamente debe ser de 12V y para saber su potencia, se multiplica el voltaje de la fuente por la corriente. En este caso, la fuente es de 12V y 0,04A. La potencia disipada por el Zener será de 0,48 watt. Un Zener como el 1N4742, de 12v y 1 watt es adecuado.

Lista de componentes

En resumen, para construir nuestra fuente vamos a necesitar:

1 condensador de poliéster de 1μf y por lo menos 250V.
1 resistencia de 470K y 0,5 watts.
1 puente rectificador de onda completa w04 (o 4 diodos 1N4007 para hacerlo).
1 condensador electrolítico de 470μf por 25V.
1 Zener 1N4742.

⚠ Advertencia: antes de conectar la fuente, debe conectarse la carga. Una fuente capacitiva NO debe conectarse en vacío. En nuestro caso, para la carga usaremos 9 led blancos de 5mm y 3 resistencias de 220Ω.

Diagrama de la fuente capacitiva

La figura 6 muestra el diagrama del circuito de nuestra fuente capacitiva, indicando como se conectan sus componentes. El recuadro azul corresponde a la fuente propiamente dicha, mientras el recuadro verde representa la carga (9 led).

Figura 6. Diagrama del circuito de la fuente capacitiva.

Resumen rápido y preguntas frecuentes

¿Cómo funciona una fuente capacitiva?

Una fuente capacitiva funciona utilizando la propiedad de un condensador para oponerse al paso de la corriente alterna (propiedad llamada reactancia capacitiva). El condensador actúa como una «resistencia especial» para reducir la corriente de la red de 110V o 220V AC sin generar calor. Tras este límite inicial, un puente rectificador convierte la corriente alterna en continua. Un condensador electrolítico suaviza el rizado del voltaje y un diodo Zener fija la tensión al valor deseado (por ejemplo, 12V). De este modo, se obtiene un voltaje bajo y regulado de forma económica y compacta, ideal para cargas fijas de muy bajo consumo. No obstante, tiene la condición clave de que no existe aislamiento galvánico de la red eléctrica.

¿Se puede hacer una fuente capacitiva de 12v y 1A?

En la práctica resulta una pésima idea. Para entregar 1A a 110V AC necesitarías un condensador de poliéster de aproximadamente 25 µF a 250V AC, el cual es gigantesco y costoso. Además, necesitas un Zener que pueda disipar 12 Vatios de calor continuos. Aunque existe, es grande, costoso y requiere disipador adicional. Para 12V y 1A, siempre es mejor una fuente conmutada.