La scioccante verità sugli alimentatori senza trasformatore

Gli alimentatori senza trasformatore vengono spesso visualizzati qui su Hackaday, soprattutto nei prodotti economici in cui il costo di un trasformatore aumenterebbe in modo significativo la distinta base. Ma gli alimentatori senza trasformatore sono un’arma a doppio taglio. Quel titolo? Non clickbait. Frugare in un dispositivo alimentato senza trasformatore può trasformare il tuo oscilloscopio in una pila fumante o farti fulminare se non li capisci e non prendi le adeguate precauzioni di sicurezza.

Ma questo non è un pezzo spaventoso. I design senza trasformatore sono fantastici al loro posto e probabilmente un giorno ne incontrerai uno perché sono presenti in qualsiasi cosa, dalle lampadine a LED agli interruttori WiFi IoT. Vedremo come funzionano e come progettarli e lavorarci in sicurezza, perché non si sa mai quando potresti voler hackerarne uno.

Ecco la battuta finale: gli alimentatori senza trasformatore sono utilizzabili in sicurezza solo in situazioni in cui l'intero dispositivo può essere racchiuso e nessuno può entrare accidentalmente in contatto con alcuna sua parte. Ciò significa che non ci sono collegamenti elettrici fisici in entrata o in uscita: RF e IR sono un gioco leale. E quando lavori con uno, devi sapere che qualsiasi parte del circuito può essere alimentata dalla tensione di rete. Ora continua a leggere per capire perché!

Un alimentatore senza trasformatore (TPS) è fondamentalmente solo un divisore di tensione che prende la tensione di 115 o 220 V CA dalla parete e la divide in base alla tensione desiderata. Se la tensione deve essere CC, viene raddrizzata tramite alcuni diodi e magari regolata su una tensione massima, ma ci arriveremo tra un minuto.

Normalmente, i partitori di tensione CC sono realizzati con una coppia di resistori. Combinati, definiscono la corrente che scorre attraverso il percorso e il resistore superiore può quindi essere scelto per eliminare la differenza tra la tensione di ingresso e l'uscita desiderata. Se, nel nostro caso, la differenza è di circa uno o duecento volt, anche se deve superare solo poche decine di milliampere, quel resistore si surriscalderà rapidamente.

Un componente migliore da utilizzare nella parte superiore del divisore è un condensatore, con la sua reattanza scelta per fornire la "resistenza" desiderata a qualunque sia la frequenza di rete nel luogo in cui vivi. Ad esempio, supponiamo di volere 25 milliampere a 5 V e di essere in America e di dover eliminare 110 V. R = V / I = 4.400 Ω. Usando la reattanza di un condensatore, cioè C = 1 / (2 * pi * 60 Hz * 4400) = 0,6 μF. Se hai bisogno di più corrente, usa un condensatore più grande e viceversa. È così facile!

Un progetto TPS completamente elaborato richiede alcune parti in più. Per motivi di sicurezza e per limitare la corrente di spunto, sono una buona idea un fusibile e un resistore di limitazione della corrente da un watt sull'ingresso. Un resistore di scarica di grande valore in parallelo al condensatore reattivo gli impedirà di mantenere l'alta tensione e di provocare una scossa quando il circuito è scollegato.

E a proposito di quel condensatore, è una parte critica della sicurezza del circuito. È soggetto a tensioni alternate continue ed elevate e in caso di cortocircuito l'uscita "5 V" è alla tensione di rete e alcune parti potrebbero incendiarsi. Questo è un lavoro per un condensatore di classe X. Li vedrai principalmente contrassegnati con X1 o X2, con X1 in grado di resistere a picchi di tensione più elevati. Andrà bene uno qualsiasi dei due, assicurati solo che sia classificato X e specificato per il livello di tensione di rete.

Dopo il condensatore, la corrente alternata che lo attraversa deve essere raddrizzata in corrente continua. Qui funzionerà un normale raddrizzatore a semionda o onda intera: una manciata di diodi e un condensatore di livellamento di grande valore. Se il carico non è costante, probabilmente vorrai limitare la tensione massima vista dal condensatore con un diodo Zener, in modo che la corrente in eccesso venga deviata a terra quando il carico assorbe meno dei 25 milliampere per cui abbiamo progettato. Queste parti vedono solo basse tensioni, quindi non ci sono requisiti speciali qui.

Infine, notiamo che ci sono molte possibili configurazioni di questo circuito. Invece di far cadere la maggior parte della tensione tra la tensione e il nostro dispositivo, è anche possibile collegare il nostro dispositivo direttamente al filo sotto tensione, con il condensatore nella gamba inferiore del partitore di tensione: lo stesso circuito capovolto. Naturalmente il fusibile e le resistenze di sicurezza possono essere posizionati ovunque nel circuito. Ma le basi sono le stesse: il condensatore agisce come una gamba in un partitore di tensione, seguito da qualche rettifica e regolazione, con il carico come l'altra gamba.