Reparando fontes chaveadas (ART1183)

Com o aumento do número de computadores em nosso país, as oficinas de reparação passam a ter a possibilidade de trabalhar com um novo produto. No entanto, não é possível mexer em tudo num computador sem um preparo específico. Isso, entretanto não deve desanimar o técnico que pode ter em alguns setores do computador a possibilidade de fazer reparos e até de uma maneira simples. Os monitores de vídeo, amplificadores e as próprias fontes de alimentação são alguns exemplos. Nesse artigo damos algumas dicas importantes para a reparação das fontes chaveadas encontradas tanto em computadores como em muitos outros periféricos e mesmo equipamentos de consumo.

Existem circuitos nos computadores em que qualquer tipo de reparação é bastante problemática, tanto pela dificuldade em se localizar esses componentes como também pelo modo como são montados. Placas de diversas camadas, componentes extremamente pequenos (SMD) e com muitos terminais muito próximos são alguns casos em que a reparação se torna problemática.

No entanto, existem algumas partes dos circuitos em que tanto são usados componentes comuns discretos, de tamanhos normais, como também sua troca é facilitada pelo modo tradicional como são montados. Isso ocorre, por exemplo, em monitores de vídeo, em amplificadores multimídia, em alguns circuitos de impressoras e principalmente nas fontes de alimentação.

Na verdade, essas fontes são relativamente simples de reparar em alguns casos, tanto pela menor complexidade de seus circuitos e pelo uso de componentes discretos comuns, como pelo modo como esses componentes são montados.

Dessa forma, um reparo numa fonte é possível em muitos casos, e com pouco custo, possibilitando a recuperação de um circuito do computador que, se bem que seja relativamente barato, pode ainda sair mais barato se for reparado.

Ao reparar uma fonte chaveada ou abreviadamente SMPS de Switch Mode Power Supplies, o procedimento a ser adotado por um técnico é completamente do utilizado por uma fonte comum.

Numa fonte comum, a não ser num pequeno setor de entrada encontramos uma tensão alternada. Nos demais setores as tensões encontradas são todas contínuas. Assim, para o reparo de uma fonte linear (também dita analógica), basta medir tensões e tudo está resolvido.

Numa fonte chaveada encontramos sinais, com freqüências que podem superar 1 MHz, o que exige não a disponibilidade de instrumentos capazes de verificar esses sinais, como um osciloscópio, como também o conhecimento do profissional das formas de onda que devem ser observadas.

Um outro ponto que também dificulta a análise dessas fontes por parte do técnico menos familiarizado é o fato de que muitas delas possuem recursos de proteção que as desliga quando alguma coisa está errada.

Assim, a fonte desliga completamente parecendo "morta" quando alguma coisa ocorre e o técnico sem conhecimento, não sabe por onde começar.

Para saber o que pode e o que não pode ser reparado numa fonte, e se isso compensa, começamos por analisar o princípio de funcionamento de uma fonte chaveada típica que é mostrado em blocos na figura 1.

 

 

É claro que podem ocorrer pequenas variações de uma fonte para outra, conforme o que se denomina a topologia usada a qual depende da potência de saída, do tipo de circuito que vai ser alimentado e muito mais.

Por exemplo, em lugar do acoplador óptico no bloco de feedback podemos encontrar simplesmente um enrolamento adicional do transformador comutador. Em lugar de apenas um transistor comutador, podemos encontrar dois em push-pull, o feedback de controle pode ser obtido de enrolamentos diferentes do transformador e assim por diante.

Uma fonte típica, entretanto tem sempre quatro setores principais que são indicados nesse diagrama de blocos.

 

Setor 1 - Setor de tensão +B não regulada. Trata-se de um setor linear da fonte que inclui a alimentação contínua, o circuito de alimentação de standby, e o transformador primário além do transistor comutador.

 

Setor 2 - Nesse setor encontramos o circuito de partida e também de excitação do transformador. Esse circuito fornece o sinal de controle para o transistor comutador que é o componente de potência mais importante de toda a fonte. Nas fontes mais simples esse circuito tem apenas um transistor e um poucos componentes periféricos, mas nas fontes mais elaboradas podemos até encontrar um microcontrolador que fornece sinais processados para o transistor comutador.

 

Setor 3 - Circuitos secundários - são os circuitos que estão depois do transformador, ou seja, alimentados por seus enrolamentos secundários com retificadores, filtros e eventualmente reguladores lineares de tensão. Esse circuito é que fornece a alimentação para as cargas da fonte.

 

Setor 4 - Feedback e controle - nesse setor estão os componentes que controlam a excitação do setor 2 a partor de informações obtidas na saída dos circuitos do setor 4. Esse circuito faz então a regulagem da tensão de saída, monitora a alta tensão, liga e desliga o circuito em caso de necessidade e proporciona o isolamento entre a entrada e saída através do uso de acopladores ópticos, enrolamentos sensores separados ou outros recursos.

 

Cuidados antes de mexer

Pelos blocos mostrados na primeira figura, o leitor pode perceber que os blocos principais de uma fonte chaveada não são isolados da rede de energia, por isso, existe sempre o perigo de choques em caso de um toque acidental.

Assim, uma prática altamente recomendável ao se trabalhar com fontes desse tipo, consiste no uso de um transformador de isolamento. Evidentemente, esse transformador deve estar associado a recursos adicionais como indicação de tensão de saída e fusíveis de proteção contra curto-circuitos.

Além disso é conveniente estar bem atento para o fato de que existem dois tipos de terra numa fonte chaveada e que eles não são comuns. Um deles é o terra-quente que esta associado ao terra ou neutro da rede de energia. Esse terra está normalmente nos setores de entrada da fonte. O outro é o terra do chassis que está associado ao setor depois do transformador e que está isolado da rede de energia. Verifique sempre em relação à qual deles uma tensão que deve ser medida está referida.

Um ponto crítico nesses dois terras está, por exemplo, no acoplador óptico. O lado do LED tem o terra associado ao chassi enquanto que o lado do foto-transistor tem o terra associado à rede, ou seja, é o terra quente.

 

Procedimentos

Alguns poucos passos básicos permitem mesmo ao técnico menos experiente encontrar problemas de funcionamento numa fonte chaveada. A seguir vamos tratar dos passos que devem ser dados no diagnóstico de problemas.

 

Primeiro Passo

Verifique a fonte de standby (espera). As tensões dessa fonte são importantes pois alimentam o microprocessador. Se essas tensões estiverem incorretas a fonte não parte. Observe que nem todas as fontes possuem esse recurso. Lembramos ainda que algumas fontes possuem um setor com transformador separado para essa alimentação.

Verificando que esse setor funciona, muitos componentes suspeitos podem ser descartados. Se não estiver em ordem podemos suspeitar do CI desse setor que normalmente é um outro comutador, mas de menor potência.

 

Segundo Passo

O próximo procedimento consiste em se verificar se a parada da fonte se deve a problemas dela mesmo ou do circuito alimentado. Isso é feito desligando-se a carga que ela alimenta. Com isso é possível verificar se o desligamento eventual da fonte se deve a um problema de sobrecarga do circuito alimentado por uma falha dele, ou se o problema e da própria fonte.

Leve em conta que muitas fontes não operam se não tiverem uma corrente mínima de carga, o que significa que desligá-la simplesmente do circuito alimentado não resultar em nada.,

Uma idéia consiste em se conectar uma pequena lâmpada, que tenha a tensão de saída da fonte no setor testado, mas uma potência que não seja muito elevada, apenas para fornecer uma carga mínima para o teste de funcionamento, como mostra a figura 2.

 

 

O exemplo dado a seguir serve tanto para o caso de computadores, como para uma fonte chaveada usada em monitores de vídeo ou mesmo em televisores comuns, que apresenta a mesma configuração.

Para um televisor, por exemplo, em que a tensão chega a mais de 130 V pode-se usar uma lâmpada de 40 a 50 W comum enquanto que para um computador ou outro periférico de baixa tensão, use uma lâmpada de 12 V ou 18 V de 500 mA.

Se a tensão com a lâmpada acesa for normal, isso significa que a fonte está funcionando e que o problema pode estar no circuito que está sendo alimentado.

Se a lâmpada não acender, a fonte não partir,ou ainda, se a lâmpada acender mas desligar em seguida (entra em shutodown) ou ainda, se a lâmpada tiver um brilho excessivo, indicando sobretensão, então isso indica que existe algo anormal com a própria fonte. Os próximos passos vão indicar como descobrir o que está errado.

 

Terceiro Passo

Se ainda não chegarmos à conclusão alguma, o próximo passo consiste em se retirar o sinal de comutação do transistor de potência (normalmente um FET de potência, montado num dissipador de calor).

Para essa finalidade, normalmente basta levantar um dos terminais dos componentes que acoplam o circuito gerador PWM à comporta desse transistor. Normalmente existe um resistor para essa finalidade. Com esse procedimento, os circuitos do setor 3 são desativados e com isso é possível fazer a análise dos demais circuitos da fonte.

Além disso, garante-se que nenhuma tensão vai sair da fonte quando ela for ligada, podendo sobrecarregar os circuitos alimentados. Veja que muitas vezes a fonte está ruim e os circuitos alimentados têm uma alimentação inadequada, podendo danificá-los depois de certo tempo.

 

Quarto Passo

Passamos então á análise dos circuitos do bloco 1. Esses circuitos incluem a retificação e filtragem de entrada. Deve-se verificar as tensões até o transistor comutador, verificando se ele recebe alimentação correta. Comece verificando a tensão de +B no transistor comutador.

O multímetro ou então um osciloscópio são os instrumentos apropriados para se fazer a análise dessa etapa.

Se for constatada uma baixa corrente e uma tensão normal de aproximadamente 160 V se a rede de energia for de 110 V, então a fonte de alimentação, em princípio está boa. Será interessante, antes de passar para a próxima etapa, verificar se o transistor chaveador não está aberto. Para essa finalidade, retire-o do circuito e faça os testes convencionais.

Outro ponto ainda desta etapa que deve ser verificado, é o resistor que normalmente existe na fonte (ou emissor) do transistor que pode estar alterado ou aberto. Se esses componentes estiverem bons, passe ao passo seguinte.

Por outro lado, se não for encontrada tensão alguma e nenhuma corrente então é porque existe algo aberto nesse setor do circuito. Verifique então os fusíveis, resistores de segurança (fusistores), diodos e capacitores de filtro. Teste também a continuidade do enrolamento primário do transformador de chaveamento.

Se a tensão da fonte estiver anormalmente baixa, isso pode ser sinal de que existe algum componente alterado ou em curto na linha de +B. O transistor pode estar em curto, podem existir problemas nos diodos da ponte retificadora, no capacitor de filtro e outros componentes que devem ser testados. Também deve ser verificada a possibilidade de um curto do enrolamento primário do transformador com sua carcaça ou com o chassi.

 

Quinto Passo

O próximo passo consiste em se fazer a análise do circuito de excitação do transistor chaveador. Antes porém devemos verificar se o circuito integrado que controla isso está funcionando. Para essa finalidade, ele deve receber a tensão de partida de uma rede divisora a partir do +B. Se essa tensão não existir, verifique os componentes que a fornecem.

Depois de procedimento, podemos verificar se o oscilador do circuito está funcionando, ligando sua saída ao osciloscópio para comprovar a presença do sinal comutador. As formas de onda e a freqüência devem coincidir. Um sinal com muito ruído pode ser difícil de ser analisado ou ter a freqüência medida.

Se houver uma variação da freqüência maior do que 10% do valor previsto, isso pode indicar que o controlador se encontra com problemas ou algum componente a ele associado. Faça uma verificação.

Observamos que algumas fontes possuem um CI de controle com um pino de teste e que ainda pode ocorrer que ela fique desabilitada quando sem carga, caso em que o oscilador não funciona. Verifique isso.

 

Sexto Passo

Um procedimento interessante no diagnóstico de fontes chaveadas consiste na realização do teste dinâmico do circuito de realimentação e controle. Esse circuito, conforme mostra a figura 3, possui normalmente um acoplador óptico como elemento básico.

 

 

Além da própria falha do acoplador ou do seu circuito de excitação, também podem ocorrer problemas com o transistor de realimentação que não fornece ao microcontrolador ou ao transistor comutador um sinal de controle apropriado.

Uma possibilidade interessante de teste para esse circuito consiste em se simular seu funcionamento aplicando-se uma tensão externa ao transistor do sensor do acoplador, e verificar se isso faz com que a fonte funcione. A fonte deve fornecer uma tensão da ordem de alguns volts com limitação de corrente.

A aplicação da tensão no elemento sensor do acoplador óptico vai fazer com que ocorre uma variação da tensão de saída da fonte, o que pode ser medido facilmente com um multímetro.

Se nenhuma modificação na tensão de saída ou no funcionamento da fonte ocorrer com a aplicação dessa tensão isso pode ser sinal de que o acoplador óptico se encontra com problemas. Retire-o do circuito para um teste de funcionamento.

Se o do acoplador estiver funcionando deve ser feito o diagnóstico dos demais componentes dessa etapa. Isso pode ser feito pela medida das tensões em seus diversos pontos, observando-se que o LED do acoplador precisa de uma tensão entre 1,6 e 1,8 V para funcionar.

Nesse teste deve ser também analisado o funcionamento de eventuais blocos de shut-down e proteção contra sobretensão, os quais devem estar funcionando. Por exemplo, uma tensão excessiva na saída faz com que esses circuitos sejam ativados e a fonte é desligada.

 

Componentes Usados

Nas fontes chaveadas existem componentes críticos. Se um desses componentes precisar ser substituído o leitor deve tomar muito cuidado para não utilizar um de menor qualidade ou cujas especificações sejam inferiores ao original.

Por exemplo, um transistor comutador (MOSFET) pode ter o mesmo tipo, mas diversos graus de qualidade ou de especificações dados pelo sufixo. Assim, se o original for sufixo A, por exemplo, e usarmos um sufixo B, onde B indica uma tensão máxima suporta entre dreno e fonte um pouco menor, isso pode comprometer o funcionamento da fonte.

Da mesma forma, se colocarmos um resistor de 5% num local em que é exigido um resistor de 1%, isso pode afetar o funcionamento da fonte levando-a a uma nova falha. É claro que nesse caso, existe uma possibilidade interessante que deve ser utilizada, mas apenas nos casos de emergência.

Na falta de um resistor de 1% de determinado valor, pode-se selecionar com um multímetro de boa precisão, num lote de resistores de 5% ou mesmo 10% ou que esteja com o valor mais próximo do desejado e utilizá-lo.

Outro ponto importante na substituição de componentes de uma fonte chaveada está na substituição de capacitores. Os capacitores possuem uma especificação denominada ESR (Equivalent Series Resistance), em português resistência equivalente em série.

O que ocorre é que o circuito equivalente a um capacitor é o mostrado na figura 4, onde existe uma resistência em série virtual que nada mais é do que a resistência dos seus terminais e dos próprios eletrodos internos do componente.

 

 

Num bom capacitor a ESR deve ser a menor possível para que não ocorram problemas de instabilidade do circuito, como regulagem errática, oscilações, shut-down errático e outros. Os capacitores usados nas fontes chaveadas normalmente são tipos de baixa ESR.

Na substituição devem ser usados tipos equivalentes de baixa ESR, pois a troca por um de ESR elevada pode levar a novos problemas de funcionamento da fonte. Alguns centavos a mais num capacitor de marca conhecida pode significar a diferença entre ter uma fonte funcionando normalmente ou apresentar novos problemas.

 

Conclusão

Se bem que tenham um princípio de funcionamento diferente das fontes analógicas comuns, usem componentes mais sofisticados, as fontes chaveadas podem ser reparadas com alguma facilidade pelo profissional que esteja bem preparado.

Esse preparo começa com o conhecimento de seu princípio de funcionamento, passa pela utilização de técnicas e instrumentos apropriados e termina na escolha certa dos componentes de substituição.

Nesse artigo demos uma breve visão de como o diagnóstico de problemas dessas fontes pode ser feito de maneira lógica. Variações podem ocorrer em função da topologia de cada fonte, no entanto, a posse do diagrama e também de bom sensor ajudam muito a cada um saber o que deve fazer diante de uma fonte que não funciona.

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