Abbassare la tensione con un condensatore

Salve, quando si tratta di costruire piccoli circuiti elettronici funzionanti a bassa tensione (timer, interruttori crepuscolari, rilevatori di presenza ecc..) alimentarli dalla rete elettrica può diventare un problema se non si dispone di un alimentatore adatto o se quello che abbiamo è “troppo buono” per meritarsi di essere chiuso in una scatola insieme al nostro circuito.

Per la verità al giorno d’oggi ciò è facilmente risolvibile adoperando uno dei tanti piccoli caricabatterie di vecchi telefoni cellulari che tutti abbiamo in casa, e anche se ciò non fosse possibile non sarà certo un problema acquistare una simile cinesata al costo di pochi euro.

La tecnlogia switching ovvero “a commutazione“ consente infatti l’esistenza di alimentatori relativamente potenti per le loro dimensioni, efficienti (scaldano poco) e leggerissimi (vedi caricabatterie che sembrano vuoti) se paragonati ai tradizionali alimentatori che fanno uso di trasformatore di rete pieno di rame e di ferro.
E’ proprio il trasformatore di rete la parte più pesante, ingombrante e costosa di un alimentatore. Negli switching c’è lo stesso un trasformatore ma non funziona alla frequenza di rete elettrica a 50Hz. Lavorando infatti a frequenza molto più elevata (decine/centinaia di kHz) è fatto diversamente risultando molto piu piccolo e leggero a parità di potenza.

Se anche l’uso di uno switching dovesse diventare un problema ad esempio perchè vogliamo integrare anche l’alimentazione da rete 220 direttamente nel nostro circuito con pochi componenti esterni c’è però un’altra soluzione che merita sicuramente di essere considerata.

Intanto cerchiamo di spiegare il perchè della necessità di un trasformatore per abbassare la tensione, quando una semplice resistenza in serie farebbe lo stesso lavoro per via della caduta di tensione ai suoi capi.

Immaginiamo di voler alimentare un piccolo carico, tipo un relè con bobina a 12V di un sensore di luce o qualche altra fesseria che assorba pochi mA a 12V direttamente dalla rete elettrica.
Ci servono supponiamo 12V 20mA a partire dalla 220V, supponiamo alternati per semplicità. Se servono in continua (come è piu probabile) occorrerà raddrizzare e livellare l’alternata e se necessario stabilizzarne anche la tensione.

alimentatore_carico_resistenza_schemaUsando una resistenza dovremo dimensionare un partitore in modo da avere una caduta di tensione di 220 – 12 = 208V.

R = 208/0,02 = 10400 Ohm
Quindi andrà bene una resistenza da 10K o 12K.
Kohm più Kohm meno non cambia molto, le resistenze hanno una tolleranza abbastanza larga (10% di solito) e poi chi ci garantisce che la rete sia esattamente 220V?? Forse l’enel ce lo scrive nella bolletta, ma non di certo è così in realtà, quindi in generale non ha molto senso spaccare la virgola con i valori.

Per sapere “quanto grossa” deve essere la resistenza è sufficiente vedere che potenza dissipa e sovradimensionare un po per evitare di farla riscaldare troppo o lavorare al limite, che ne provocherebbe la bruciatura.
Pdiss = R*I^2 = 10400* (0,02)^2 = 4,16W
Andremo a comprare una resistenza da 10K 5W quindi.

Facciamo un piccolo bilancio delle potenze a questo punto, tanto per esercizio.
Il dispositivo da alimentare assorbe una potenza utile Put = V*I = 12V*20mA = 0,24W
Il suo alimentatore (la resistenza) ne spreca in calore Pdiss= 4,16 W
In totale verranno assorbiti dalla rete elettrica Ptot = 4,16 + 0,24 = 4,4W.

Quindi stiamo assorbendo 4,4 per alimentare un dispositivo che ne cosuma solo 0,24.
Che efficienza! Un po come tenere acceso un potente gruppo elettrogeno che consuma 20litri/ora di gasolio per far funzionare il frigo di casa (dove magari dentro c’è soltanto una bottiglia d’acqua da mezzo litro :D)

Il rendimento è infatti Put/Ptot *100 = 0,24/4,4 * 100 = 5,45%
GIA’! UN MISERO 5% IL RESTANTE 95% va sprecato in calore.
Ne piu e ne meno delle vecchie lampadine ad incandescenza. Solo il 5% della potenza assorbita da una lampadina viene trasformato in luce visibile. Il restante 95% va buttato via in calore.

Ora non che io sia un maniaco del risparmio energetico di quelli fissati che mettono le lampadine a LED da 15 euro l’una (dov’è il risparmio?) anche nello sgabuzzino dove sono accese giusto il tempo di entrare per posare la scopa (si puo dimostrare che si rientrerebbe nella spesa dopo circa 30 anni, ma magari lo facciamo un altra volta…..)

……. però onestamente anche a fregarsene della potenza sprecata un rendimento del genere è uno schiaffo all’uso intelligente dell’energia e a tutta la strada che gli elettroni hanno dovuto fare dalle centrali elettriche a casa nostra! Specialmente se l’apparecchio in questione deve essere alimentato 24 ore su 24.
Inoltre con 20mA ci possiamo ritenere tutto sommato fortunati e cavarcela con una resistenza da 5W. All’aumentare della corrente però la dissipazione di potenza risulterebbe insostenibile costringendo a usare resistenze di potenza e dimensioni comparabili a un ferro da stiro per fornire solo poche centinaia di mA alla tensione desiderata.

Il trasformatore in corrente alternata invece è la soluzione più efficiente per convertire una tensione in un’altra, sia essa più bassa (come nel nostro caso) o più elevata.
Presenta basse perdite, tensione in uscita quasi costante al variare del carico collegato da zero fino alla sua potenza nominale che si misura in VA (voltampere) e ISOLAMENTO dei due circuiti nel nostro caso tra la rete elettrica a 220V e la bassa tensione che occorre a noi.
Tutto il contrario rispetto ad una resistenza che presenta elevatissime perdite che dipendono dal suo valore e dal quadrato della corrente che la attraversa P=R*I^2, tensione in uscita fortemente dipendente dal carico ad essa collegato e isolamento dalla rete completamente assente.
Nulla di fatto quindi?

Non è detto! Sotto alcune condizioni infatti è possibile sostiture la resistenza con un CAPACITA’ di opportune caratteristiche. Dopotutto siamo in corrente alternata e in AC un CONDENSATORE si lascia attraversare da corrente limitandola analogamente a quanto sa fare un resistore. Tale caratteristica non si chiama resistenza ma REATTANZA.
Si indica con X e si misura sempre in Ohm.
Nello specifico trattasi di reattanza di tipo capacitivo (c’è pure quella induttiva).

Il risultato sarà che il condensatore si farà attraversare lo stesso da tutta la corrente che serve al carico (dopotutto se sono in serie non è possibile che sia diversamente) ma contrariamente alla pessima idea precedente della “resistenza-stufa” stavolta non dissiperà potenza attiva.

In realtà una certa potenza interesserà comunque il condensatore, si chiama potenza REATTIVA, si misura in VAR (voltampere reattvi) e non è convertibile in lavoro quindi non riscalda e non viene nemmeno rilevata dal contatore o meglio con i modelli nuovi viene conteggiata lo stesso (led RR che lampeggia) ma l’enel con ce la fattura in quanto trascurabile se ammonta a poco.

Quindi non stiamo sprecando niente di utile o facendo qualcosa che porta effetti indesiderati (ingombro….calore da smaltire…bolletta da 500 euro…ecc..).
Vediamo come calcolare il condensatore.

reattanza_formula

In teoria basterebbe che il condensatore da 300nF sia NON POLARIZZATO (NO elettrolitici – OK poliestere/carta-olio) e che la sua tensione di lavoro sia superiore a 350Volt ovvero superiore al picco di una tensione alternata sinusoidale di valore efficace 250Volt quale potrebbe essere la tensione di rete (ricordiamo che 220/230 è scritto solo sulla bolletta) che si ottiene moltiplicando 250 per 1,4 (radice quadrata di 2).
IN PRATICA NO!
Il condensatore deve essere garantito idoneo per il funzionamento continuo connesso alla rete elettrica con tutto quello che è la normalità trovare in rete (sovratensioni, spikes di tensione di oltre 1000V per pochi microsecondi ecc..) senza danneggiarsi e, in caso di danneggiamento questo deve avvenire in modo non distruttivo quindi NO cortocircuito, esplosione, incendio, fiamme…. mentre invece OK se semplicemente non funziona più.

I condensatori idonei a questo scopo recano la scritta AC o il simboletto di alternata e si trovano facilmente come soppressori di disturbi e nei filtri di rete degli alimentatori switching dove sono collegati diretti tra fase e neutro o verso terra. Ah ci sono anche negli asciugacapelli e sono loro i colpevoli delle odiose scosse quando si toccano i contatti della spina appena staccata dalla presa! Comunque nei negozi li vendono anche nuovi :)
La tensione deve essere superiore a 250Vac, meglio se 400Vac.

condensatori

Rinunciando al trasformatore si rinuncia anche all’isolamento rispetto alla rete.

Quindi al carico da alimentare arrivano 12V ma tra un qualsiasi punto del circuito (carico compreso) e terra ce ne sono potenzialmente 220. Di conseguenza dobbiamo a tutti gli effetti considerare il carico da alimentare come funzionante a 220 Volt e connesso direttamente alla rete, trattandolo con le dovute accortezze non ci sarà nessun problema. E’ comunque consigliabile ma non indispensabile (il carico funziona ugualmente) rispettare il collegamento di fase e neutro. Questo riduce un po il pericolo perchè solitamente il potenziale del neutro rispetto a terra è di pochi volt (solitamente però! Non sempre! Potrebbe inoltre andare in tensione a causa di guasti da qualche parte nella rete gestita dalla locale cabina enel) quindi non c’è da fidarsi e non viene meno nulla di quanto raccomandato sopra.

alimentatore_senza_condensatore_schema (1)

Una nota positiva è la protezione da cortocircuiti in uscita.
Infatti la reattanza capacitiva (ma avrebbe fatto lo stesso anche la resistenza) limita il valore della corrente di corto circuito rendendo superfluo aggiungere protezioni in corrente.
Diverso il discorso per le protezioni in tensione:
Questo alimentatore non deve mai funzionare a vuoto in quanto la tensione salirebbe a valori da fare esplodere il condensatore di filtro da 100uF e danneggiare il carico. Inoltre la tensione non è stabilizzata. Per fare questo sarà necessario aggiungere un diodo zener DZ.
Questo dovrà avere una tensione di soglia poco piu alta della tensione desiderata quindi 12-15V e una potenza superiore a quella assorbita dal carico (nel nostro caso era 0.24W quindi uno zener da 0,5W-1W sarà perfetto). Teniamo conto che in caso di funzonamento a vuoto la tensione in uscita non oltrepasserà quella di soglia dello zener e che, in queste condizioni questo dissiperà la potenza massima comportandosi esso stesso da carico.
I 4 diodi del ponte raddrizzatore sono invece comuni 1N4007.

Ciao e alla prossima…

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5 comments

  • Luca ha detto:

    Buona giornata , dovrei ridurre di 1.5 volt circa la tensione di uscita di un alimentatore per LED che non fa spegnere completamente i farettini led ad esso collegati , c’è una soluzione ?

    • Gino Isola ha detto:

      Se capisco meglio il problema forse si. Come sarebbe non fa spegnere completamente i faretti ad esso collegati? Se l’alimentatore è staccato dalla 220 i faretti collegati in uscita accendono lo stesso? Siamo di fronte a una generazione gratis di energia 😀

  • Artemis Thar ha detto:

    Io l’unica cosa che non capisco di questo circuito è la polarità. Il trattino sui diodi indica la polarità negativa, quindi perchè finisce sul positivo dell’elettrolitico? non esplode?

  • LIVISIS.it ha detto:

    Ho trovato interessante il circuito che proponi, per alimentare due motori JOHNSON 12V 5A (recuperati da asciugacapelli cinesi), che già hanno saldati ai morsetti i ponti raddrizzatori, che vorrei montare in parallelo tra loro su una stufa 220V, in sostituzione dei motori originali a 220V.
    Quindi dovrei collegarli a valle di un condensatore di valore adeguato alla potenza dei motori collegati in parallelo tra loro, per un assorbimento complessivo di 10A.
    Vorrei chiederti un parere sul valore del condensatore e sull’assenza degli altri componenti a valle del ponte raddrizzatore.

  • Valter Tomasini ha detto:

    negli Anni 80 ho addottato la tecnica del condensatore (0.47uF) per redurre i giri e rumore su di una ventola assiale, perfetto funge ancora adesso!

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