Reparação de fontes chaveadas (ART358)

Reparar fontes de alimentação de PCs pode ser interessante. Se o leitor tem conhecimentos de eletrônica e já repara outros tipos de equipamentos, com algumas informações que damos neste artigo, ficará fácil também trabalhar com as fontes chaveadas dos PCs.

 

Uma das poucas partes de um PC que admite reparos e onde este procedimento pode ser compensador é a fonte de alimentação.

Fechadas em caixas metálicas, as fontes dos PCs têm uma configuração diferenciada, usando componentes discretos que podem ser substituídos com certa facilidade.

Se um problema ocorre num desses componentes, a reparação de uma fonte é relativamente simples e barata compensando a tarefa.

No entanto, as fontes dos PCs são de um tipo diferente da maioria das fontes convencionais encontradas em muitos aparelhos eletrônicos mais simples. Os PCs usam na unidade de sistema fontes chaveadas, assim como em muitos periféricos.

Estas fontes possuem um tipo de circuito diferente que as leva a um rendimento maior sem a necessidade dos pesados e caros transformadores de força que as fontes comuns empregam.

Ocorre, porém que a maioria dos técnicos tem dificuldades em reparar essas fontes justamente por não entenderem muito bem o seu princípio de funcionamento.

Assim, se o leitor pretende se transformar num profissional da reparação e instalação de computadores e periféricos e tem experiência no reparo de outros tipos de equipamentos eletrônicos será interessante conhecer estas fontes e também como usar o multímetro no diagnóstico de seus problemas. Este artigo é portanto dedicado exclusivamente às fontes chaveadas encontradas nos PCs e em alguns periféricos.

 

AS FONTES COMUNS

Uma fonte de alimentação comum normalmente tem a estrutura mostrada na figura 1.

 

Uma fonte linear típica de duas tensões.
Uma fonte linear típica de duas tensões.

 

Nesta fonte temos um pesado (e caro) transformador de força como elemento de entrada o qual abaixa a tensão da rede de energia para um valor que seja mais apropriado ao trabalho das etapas seguintes. Este transformador também tem a função de isolar o circuito alimentado da rede de energia proporcionando assim segurança ao usuário.

A tensão do secundário do transformador é então retificada por um conjunto de diodos e depois filtrada por capacitores e eventualmente um indutor.

A tensão contínua obtida neste ponto vai ser finalmente aplicada a um circuito regulador de tensão linear que consiste normalmente num transistor ou num circuito integrado que funciona como um resistor variável.

Este resistor variável aumenta ou diminui sua resistência de tal forma que a tensão na carga se mantém constante, independentemente do seu consumo.

Este tipo de circuito, entretanto, tem algumas desvantagens que merecem ser citadas, para que o leitor entenda porque os computadores usam as fontes chaveadas em seu lugar, assim como muitos outros aparelhos.

a) O transformador de entrada é um componente caro e pesado cujo custo e tamanho aumenta à medida que precisamos de maior potência. Acima dos 100 watts já se torna inconveniente ter de usar um transformador deste tipo.

b) O rendimento desta fonte tanto pelo uso do transformador como pelo processo de regulagem não é elevado, o que significa que quanto maior for a potência, muito mais calor é gerado com perdas que merecem ser consideradas.

c) O processo regulador de tensão de uma fonte linear faz com que se gere tanto mais calor quanto maior for a diferença entre a tensão entre a entrada e a saída e a corrente consumida. Assim, o circuito regulador também dissipa quase tanto calor quanto à potência fornecida a carga. Para um circuito como o de um PC que exige de 200 a 300 watts uma perda desta ordem é inadmissível.

 

Todos esses inconvenientes nos levam a procura de um tipo de fonte de energia que tenha um rendimento maior e que se adapte melhor às necessidades de um PC e seus periféricos. Esta fonte é a fonte chaveada ou fonte comutada.

 

A FONTE CHAVEADA

O primeiro ponto crítico de uma fonte comum, conforme vimos está no fato do circuito regulador de tensão operar como um resistor variável. Este resistor vai dissipar energia na forma de calor numa quantidade que depende da diferença entre a tensão de entrada e a tensão de saída, multiplicada pela corrente, conforme mostra a figura 2.

 

Nesta fonte 16W são convertidos em calor no transistor.
Nesta fonte 16W são convertidos em calor no transistor.

 

Uma forma interessante de se reduzir em muito a dissipação do circuito regulador é fazê-lo funcionar como uma chave interruptora e não um resistor.

A chave interruptora, conforme mostra a figura 3, na condição em que se encontra ligada apresenta resistência nula, portanto a dissipação também é nula (na prática ela é muito baixa, mas isso significa muito pouca potência dissipada).

 

Não há dissipação de potência nem quando a chave se encontra fechada nem aberta.
Não há dissipação de potência nem quando a chave se encontra fechada nem aberta.

 

Da mesma forma, quando aberta, a chave também não dissipa energia alguma, pois sua resistência é infinita (na prática isso também não ocorre, pois existe uma pequena corrente de fuga, mas na maioria dos casos ela é desprezível).

O problema para se usar a chave passa a ser então a forma de podermos regular uma tensão numa carga abrindo-a e fechando-a.

A idéia é controlar o circuito, que funciona como uma chave, a partir de um oscilador que tenha ciclos ativos variáveis.

Vamos explicar o que isso significa:

Tomemos como exemplo o caso em que a "chave" seja um transistor de potência e que o oscilador produza um sinal retangular, conforme mostra a figura 4.

 

Um transistor como
Um transistor como "chave" controlando a alimentação de uma carga.

 

Se o sinal retangular tiver um ciclo ativo de 50%, ou seja, permanecer 50% do tempo no nível alto e 50% do tempo no nível baixo, este sinal abrirá e fechará a chave formada pelo transistor da mesma forma. Assim, o transistor ficará 50% do tempo saturado, conduzindo intensamente a corrente, e outros 50% do tempo no corte, sem conduzir corrente alguma.

O resultado disso é que, se tivermos como carga um resistor, ele recebe "em média" 50% da potência total disponível na fonte.

Veja, entretanto que o transistor, nestas condições teoricamente não dissipa potência alguma. Isso porque, quando ele conduz, sua resistência é nula e portanto não há dissipação de calor e da mesma forma quando ele está desligado, não há corrente alguma portanto também não há dissipação de calor.

Na prática isso não ocorre bem desta forma, porque para passar do estado de condução para não condução e vice-versa o transistor não o faz instantaneamente.

Conforme mostra a figura 5, no intervalo de tempo em que o transistor comuta, ele funciona como um resistor, apresentando certa resistência que é responsável pela dissipação de calor.

 

Na prática o transistor não liga nem desliga de imediato.
Na prática o transistor não liga nem desliga de imediato.

 

No entanto, se o transistor for muito rápido, a quantidade de calor que vai ser produzida no processo é muito pequena, muito menor do que a potência que está sendo controlada.

Mas, aplicar a energia a uma carga desta forma não termina por aqui. Como fazer para aplicar à carga exatamente a tensão desejada?

Conforme vimos, abrindo e fechando a "chave" que é representada pelo transistor, temos na média 50% da tensão de entrada, mas os "picos" correspondem aos valores máximos e estes picos podem se perigosos ou indesejáveis em determinadas aplicações.

Colocando um filtro apropriado, por exemplo um indutor e um capacitor, conforme mostra a figura 6, podemos "aplainar" os pulsos de saída e obter uma tensão contínua aplicada a uma carga que seja exatamente a média dos pulsos.

 

Um filtro LC leva a saída a apresentar uma tensão contínua pura.
Um filtro LC leva a saída a apresentar uma tensão contínua pura.

 

No entanto, a maior dificuldade em se obter o controle da tensão numa carga é que a sua corrente pode variar e também que a própria tensão de entrada pode variar.

Os circuitos reguladores das fontes comuns lineares usam um circuito de realimentação que "sente" quando a tensão na saída varia e com isso controlam o transistor de modo que ele conduza mais ou menos de modo a restabelecer o valor desejado.

Nas fontes chaveadas o que se faz é controlar o tempo que o transistor fica saturado ou no corte, ou seja, o que se faz é controlar o ciclo ativo.

O que temos então é que o oscilador usado no controle do transistor não produz pulsos sempre com a mesma duração.

Estes osciladores geram sinais do tipo PWM (Pulse Width Modulation - Modulação de Largura de Pulso), onde os pulsos variam de largura conforme a carga deva receber mais ou menos corrente.

Assim, se no exemplo que tomamos a carga começar a exigir mais corrente ou ainda se a tensão desejada na saída tender a cair isso é sentido por um circuito de sensoriamento, conforme mostra a figura 7.

 

Um circuito sensor realimenta o oscilador alterando a largura dos pulsos.
Um circuito sensor realimenta o oscilador alterando a largura dos pulsos.

 

A finalidade deste circuito é realimentar o oscilador de modo que ele aumente a largura do pulso de comando do transistor que funciona como chave de modo que ele se mantenha mais tempo fechado do que aberto. Isso significa que a tensão tende a subir, voltando ao valor normal.

Na figura 8 mostramos o que ocorre, com o ciclo ativo do sinal retangular aumentando de modo a compensar um aumento de consumo na carga.

 

Alterando-se a largura do pulso (PWM) controla-se a tensão na carga.
Alterando-se a largura do pulso (PWM) controla-se a tensão na carga.

 

Veja então que, "na média" o abrir e fechar do transistor usado como comutador estabelece a tensão desejada na carga.

Para que uma fonte deste tipo funcione apropriadamente, a frequência de operação do oscilador deve ser alta. Valores entre 20 kHz e 200 kHz são empregados na maioria dos circuitos comuns.

 

UM CIRCUITO PRÁTICO

Na figura 9 temos um circuito prático de fonte chaveada sugerida pela Motorola em seu manual Linear/Switchmode Voltage Regulator Handbook e que pode ser encontrada em equipamentos comerciais, inclusive em periféricos de computadores pessoais.

 

Fonte chaveada sugerida pela Motorola
Fonte chaveada sugerida pela Motorola

 

Nesta fonte o circuito integrado uA78S40 é o coração do projeto contendo o oscilador, circuito de referência de tensão e comparador.

A tensão de entrada de 28 Volts é aplicada ao mesmo tempo ao pino 6 do circuito integrado e a um transistor de potência que fará as vezes da chave comutadora. Trata-se de um transistor comutador de alta velocidade, pois nesta função o tempo de comutação é importante por influir justamente na eficiência da fonte. Quanto mais lento for o transistor, mais calor ele gera na comutação e isso não é interessante.

O oscilador controla a base do transistor a partir do pino 1 enquanto que no coletor do transistor temos diretamente uma primeira saída de tensão de 5 Volts com corrente de até 5 ampères.

O filtro é formado pelo enrolamento primário de um pequeno transformador com núcleo de ferrite e o capacitor de 22 000 uF que vem logo a seguir.

O transformador tem dupla função, pois além de seu enrolamento primário servir de choque de filtro, o secundário fornece uma segunda tensão de saída, muito usada em computadores que é a de 12 Volts, agora com uma corrente máxima de 300 mA.

O sensoriamento que permite fazer a regulagem da tensão de saída pode ser observado no resistor de 3,6k ? ligado ao pino 5 do circuito integrado.

Este resistor "realimenta" o circuito com a tensão de saída que é aplicada à entrada inversora de um comparador de tensão.

Conforme a tensão neste pino seja maior ou menor que a tensão de referência interna de 1,25 volts o comparador atua sobre o circuito comutador de modo a alterar a duração do pulso por meio de uma porta lógica.

Assim, a tensão que vai ser mantida na saída pode ser facilmente determinada pela relação de valores entre o resistor de 3,6 k ?, o resistor de 1,2 k ? e a tensão de referência interna.

Um ponto importante que deve ser observado neste circuito é que, por operar numa frequência elevada, o transformador usado na obtenção dos 12V pode ser muito compacto.

São usados transformadores com núcleos de ferrite bastante compactos em relação aos tipos de mesma potência de núcleo laminado.

 

OUTROS CIRCUITOS

No circuito que tomamos como exemplo a comutação da corrente principal é feita por um transistor bipolar comum.

No entanto, esta não é a solução única para este tipo de projeto.

Em televisores e monitores de vídeo, por exemplo, que trabalham diretamente com a tensão da rede de energia, em lugar de transistores comuns que teriam dificuldades em chavear tensões muito altas, encontramos SCRs e FETs de potência.

Na figura 10 temos um exemplo de fonte chaveada de um monitor de vídeo em que a comporta do SCR recebe o sinal do oscilador de modo que ele liga e desliga na frequência de operação da fonte de algumas dezenas de quilohertz.

 

Fonte simplificada com SCR usada em Televisores e monitores de vídeo.
Fonte simplificada com SCR usada em Televisores e monitores de vídeo.

 

 

Um ponto interessante que deve ser observado neste tipo de fonte é o modo como o SCR desliga após entrar em condução.

Conforme sabemos, quando um SCR dispara, para que ele desligue é preciso que a corrente caia abaixo de um valor mínimo determinado "de manutenção" ou ainda que a tensão entre o anodo e o catodo caia abaixo de certo valor.

Estando constantemente alimentado pela tensão da rede de energia num circuito como este, a tendência seria do SCR se manter ligado após o primeiro pulso do oscilador, assim permanecendo indefinidamente, mesmo quando esse pulso desaparecesse. Podemos dizer que a tendência seria do SCR se "manter disparado" e o oscilador não fazer efeito algum sobre ele.

O desligamento do SCR, entretanto, pode ser obtido com um artifício interessante.

O indutor que é ligado em seu catodo é dimensionado para que, ao comutar seja gerado um campo de tal intensidade que a expansão de suas linhas de força gere uma tensão igual à de entrada ou ainda maior no sentido inverso. Isso é dado pelo comportamento normal de qualquer indutor: opor-se a variações da corrente.

Isso significa que, no final do pulso de disparo, o indutor estará aplicando ainda no SCR uma tensão inversa elevada que "cancela" a tensão direta, fazendo com que o SCR desligue. Desta forma, o SCR pode ligar e também desligar acompanhando o circuito oscilador, sem problemas.

Outro tipo de componente encontrado no controle das correntes principais de uma fonte chaveada é o transistor de efeito de campo de potência.

Na figura 11 temos um diagrama de fonte chaveada que faz uso de um FET de potência.

 

Uma fonte chaveada com FET de Potência (Motorola)
Uma fonte chaveada com FET de Potência (Motorola)

 

O princípio de funcionamento desta fonte é semelhante a que tomamos como exemplo, com a diferença de que em lugar de um transistor bipolar usamos um transistor de efeito de campo de potência ou POWER-FET.

 

 

UMA FONTE DE PC

No caso específico dos PCs as fontes tem algo mais além do que vimos e que merece ser analisado.

A segurança na operação do equipamento é fundamental, o que exige o isolamento total dos circuitos alimentados em relação à rede de alimentação.

Desta forma, como na fonte de 12V que vimos como exemplo, temos nas fontes dos PCs um transformador com núcleo de ferrite que fornece tanto os 12 Volts como os 5 Volts (e eventualmente outras tensões como -5V e -12V) com total isolamento da rede de energia.

Isso nos leva a um circuito típico de fonte de PC como a sugerida pela Motorola no seu Linear/Switchimode Voltage Regulator Handbook e que é mostrada na figura 12.

 

Uma fonte chaveada com FET de potência e duas saídas isoladas de tensão (5 e 12 V)
Uma fonte chaveada com FET de potência e duas saídas isoladas de tensão (5 e 12 V)

 

Analisamos o funcionamento desta fonte chaveada:

Conforme podemos ver esta fonte é ligada diretamente à rede de energia de 110V (115V) sem a necessidade de transformadores.

Após a retificação inicial por um diodo 1N4003 e filtragem por um capacitor de 470 µF a tensão contínua obtida é levada a dois blocos diferentes do circuito.

O primeiro consiste no oscilador de controle que tem por base um circuito integrado da Motorola do tipo uA78S40.

A redução da tensão para alimentar este circuito é feita por um divisor resistivo relativamente simples, sem a necessidade de transformador.

Este circuito integrado gera então os sinais de controle que são aplicados à comporta do transistor comutador. O transistor neste circuito é um FET de potência MTP4N50 que tem por carga em seu dreno um enrolamento do transformador com núcleo de ferrite que serve como carga.

Este transformador possui dois enrolamentos secundários. O primeiro é um enrolamento simples de baixa tensão e alta corrente que deve fornecer a saída principal de 5 Volts com uma corrente de 4,5 ampères.

O segundo é um enrolamento duplo que fornece duas tensões de 12 Volts, sendo uma positiva e outra negativa.

Estes dois enrolamentos são totalmente isolados da entrada, o que é importante para a segurança do equipamento e do usuário.

A realimentação que produz o sinal de controle é feita de uma forma interessante nesta fonte: por meio de um acoplador óptico.

A saída de 5 Volts alimenta um LED infravermelho que está acoplado opticamente a um foto-sensor no interior do circuito integrado 4N35.

Desta forma, quando a tensão de saída varia, varia também o brilho do emissor e portanto a incidência de luz no sensor. Com isso é gerado um sinal de controle que é aplicado ao comparador, ligado ao pino 10 do circuito integrado principal.

Esta é uma fonte relativamente simples e pequena para os padrões dos PCs atuais, mas seu princípio de funcionamento serve perfeitamente para ilustrar o modo geral de funcionamento.

As fontes atuais dos PCs têm potências na faixa de 200, 250 e 300 watts tipicamente, mas a configuração típica é a mesma.

 

 

VARIAÇÕES DE CONFIGURAÇÕES

As fontes que vimos como exemplo não contém todas as configurações possíveis de transistores ou outros elementos de potência.

Para o técnico é importante conhecer essas variações, pois elas aparecem em diversas fontes chaveadas não só de PCs como também de outros equipamentos.

Analisemos algumas delas.

Para facilitar o leitor daremos apenas os diagramas simplificados dessas fontes.

 

a) Configuração básica do tipo Flyback.

Esta configuração é encontrada em fontes chaveadas de 50W a 250W e usa apenas um transistor de efeito de campo de potência (eventualmente um transistor bipolar).

 

Na figura 13 temos o seu diagrama básico.

 

Configuração tipo flyback.
Configuração tipo flyback.

 

Nesta fonte temos um único transistor de efeito de campo de potência que é controlado por um circuito que retira a tensão de controle diretamente da saída. O circuito é isolado do FET de potência por meio de transformador ou ainda por meio de um acoplador óptico.

Para tensões de entrada de 110V o transistor de efeito de campo usado deve ser capaz de suportar tensões de pelo menos 380V entre dreno e fonte e para 220V esta tensão deve ir a 750V. A corrente com 100W é 4A e para 220V deve ser de 11,4 A.

A faixa de frequências de operação deste tipo de fonte está entre 20kHz e 200kHz.

 

b) Configuração Push-pull básica

Nesta configuração mostrada na figura 14 temos dois transistores que operam em push pull como numa etapa convencional de saída de áudio.

 

Configuração push-pull de 100 à 500W
Configuração push-pull de 100 à 500W

 

O transformador deve ter uma tomada central e a realimentação é feita para um circuito de controle que deve gerar sinais em oposição de fase para os transistores de potência.

Como a potência manuseada por cada transistor é menor eles podem ter um dimensionamento menor do que no caso do circuito anterior. No caso das tensões, elas permanecem como 380V para a rede de 110V e 750V para a rede de 220V. As correntes serão de 2,9A para a fonte de 250W na rede de 110V e 1,6A para a rede de 220V, como mínimo recomendado para os FETs usados.

Esta configuração é encontrada em fontes de 100W a 500W de potência. A frequência de operação pode ficar entre 20kHz e 200 kHz.

 

c) Configuração básica de meia-ponte

Nela temos dois transistores que conduzem alternadamente a partir dos sinais de controle. Nas posições que deveriam ser ocupadas por outros dois transistores numa ponte completa, encontramos dois capacitores que carregam-se e descarregam-se alternadamente pelo enrolamento primário do transformador.

Este circuito é mostrado de forma simplificada na figura 15.

 

Configuração de meia ponte
Configuração de meia ponte

 

O circuito de controle gera sinais em oposição de fase a partir da tensão de saída.

Esta configuração é encontrada em fontes de 100W a 500W e pode operar em frequências na faixa de 20 kHz a 200 kHz.

Para uma fonte de 350W na rede de 110V a tensão mínima que o FET deve suportar é de 190V e para a rede de 220V de 380V.

A corrente mínima indicada no caso de uma fonte de 350W na rede de 110V é de 5,7 A e para 220V é de apenas 3,1 A.

 

d) Configuração básica de ponte-completa.

Nesta configuração temos quatro transistores de efeito de campo de potência que conduzem alternadamente dois a dois. O chaveamento deste transistor é obtido de um único circuito de controle que gera sinais em oposição de fase.

Na figura 16 temos esta configuração básica.

 

Configuração de ponte-completa
Configuração de ponte-completa

 

Para 500W de potência em 110V podemos usar transistores de 5,7A com 190V e para 220V de 3,1A com 380V no mínimo.

Fontes de 500W a 1000 W podem usar esta configuração com eficiência maior que 0,8 e operando em frequências entre 20 kHz e 200 kHz.

 

COMO REPARAR

Pelo princípio de funcionamento analisado o leitor pode perceber que não é difícil analisar uma fonte chaveada que tenha problemas e através de medidas ou testes chegar aos componentes com problemas.

Temos então os seguintes procedimentos típicos:

Partimos então do caso mais comum que é a queima do transistor de chaveamento que entra em curto e faz com que o fusível de proteção de entrada abra.

Evidentemente, a simples troca do fusível não deve dar qualquer resultado, pois ele deve voltar a queimar. No entanto, diante de um caso como esse, o melhor procedimento é retirar o transistor de chaveamento e testá-lo fora do circuito.

O teste de um FET de potência pode ser feito com o multímetro conforme mostra a figura 17.

 

Teste de um FET de potência
Teste de um FET de potência

 

Num sentido devemos ter uma alta resistência e no sentido inverso uma baixa resistência para os FETs que possuam diodos de proteção interna entre o dreno e a fonte.

Se a resistência for baixa nos dois sentidos o FET estará em curto e isso faz com que ao ser ligada a fonte a intensa corrente resultante queime o fusível de proteção. Se as resistências forem ambas altas, o FET estará aberto (caso pouco comum).

A troca do FET de potência exige atenção, tanto pela disposição de seus terminais como pelo tipo original que nem sempre pode ser encontrado.

Antes de se ligar a fonte no caso da queima de um FET é conveniente verificar se os diodos e capacitores do secundário do transformador não estão com problemas, assim como os diodos e capacitor de filtro da fonte de entrada.

Outro ponto de análise é da oscilação do circuito integrado. Essa oscilação pode ser verificada com a ligação da comporta (gate) do transistor de efeito de campo ou outro transistor comutador num osciloscópio.

 

 

CONCLUSÃO

O transistor de potência é o elemento mais crítico da fonte, sendo normalmente responsável pela maioria das falhas.

O técnico reparador precisa contar não só com m bom fornecedor de transistores e outros elementos de fontes chaveadas como ter uma boa tabela de equivalências. O que ocorre é que, devido à variedade de procedências dessas fontes, os componentes também podem ter muitas diferenças de tipos.

Ter em mãos as características do original é importante para que o reparador possa encontrar um equivalente que funcione com certeza.

A equivalência não significa apenas a tensão máxima entre coletor e emissor e a corrente máxima de coletor, para os tipos bipolares mas também o ganho e a velocidade de comutação.

Igualmente, para os transistores de efeito de campo, a equivalência significa tanto a tensão máxima entre dreno e fonte como a corrente máxima de dreno. O tipo, se é de canal N ou P também é fundamental para se obter um funcionamento apropriado do substituto numa fonte.

Opinião

Avanços e Retrocessos (OP126)

Uma palavra muito em moda nos nossos meios, principalmente os políticos é “avanço”, se bem que dependendo da maneira como ela seja colocada, pode significar realmente um retrocesso. Nos meios tecnológicos, como o nosso o avanço é perceptível, constante e muito mais forte em sua penetração a ponto de pouco ser contestado.

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