Como funcionam as fontes chaveadas de televisores (ART361)

A maioria dos televisores atuais utiliza fontes chaveadas que se caracterizam por um excelente desempenho, melhor rendimento e utilização de poucos componentes. No entanto, não são muitos os técnicos que sabem exatamente como estas fontes funcionam e por este motivo sentem alguma dificuldade no momento de fazer sua reparação. Neste artigo vamos analisar o funcionamento deste tipo de fonte com informações que são de grande utilidade para o técnico reparador. De fato, nosso exemplo prático será dado em função da fonte do televisor PHILCO TV-389 que tem uma das configurações mais simples e tradicionais deste tipo de fonte.

As fontes chaveadas estão presentes na maioria dos televisores, computadores e outros equipamentos eletrônicos por motivos que já citamos na apresentação. No entanto, poucos técnicos dominam o funcionamento desta fonte e mal consegue entender porque elas são melhores que as fontes comuns que usam transformadores e retificadores com regulares lineares.

Desta forma, nosso primeiro passo neste estudo é analisar o princípio de funcionamento de uma fonte chaveada comparando-a com uma fonte comum.

 

COMO FUNCIONA UMA FONTE CHAVEADA

Numa fonte comum com regulagem de tensão, como a mostrada na figura 1, a tensão contínua obtida depois dos retificadores e de um capacitor de filtro não possuem regulagem alguma, o que significa que variações da corrente no circuito de carga provocam variações de sua tensão de saída.

 

A tensão Vs varia com a corrente na carga.
A tensão Vs varia com a corrente na carga.

 

Quando o consumo da carga aumenta a tensão cai e da mesma forma, quando a tensão de entrada varia, a tensão na saída sobre variações correspondentes.

Os televisores muito antigos que usavam este tipo de fonte sofriam com as variações da tensão da rede de energia quando o quadro aumentava e diminui, o brilho sofria iguais alterações ao sabor das variações da tensão da rede de energia. Nos horários de pico, quando o consumo de energia aumentava, quase ninguém obtinha uma imagem perfeita. As indústrias que fabricavam reguladores manuais de tensão (e mesmo automáticos) faturavam alto.

 

Antigo estabilizador manual de tensão.
Antigo estabilizador manual de tensão.

 

O primeiro tipo mais comum de estabilizador de tensão incorporado nos televisores era do tipo analógico, consistindo num circuito em série como o da figura 3, funcionando como um resistor variável, ou seja, um reostato de potência.

 

Estabilizador
Estabilizador "série" com tensão de referência dada por diodo zener.

 

Neste tipo de regulador o que o transistor faz é mudar sua resistência, que forma com a carga um divisor de tensão, de modo a compensar as variações de tensão.

Assim, quando a carga exige mais corrente, provocando uma queda na tensão de saída o resistor "diminui" de resistência e com isso a tensão volta a subir.

Quem controla o transistor é o diodo zener que fornece uma referência de tensão de tal forma, que a tensão de emissor deve ficar sempre 0,6 V menor que a tensão de base. Se a tensão de emissor cai, o zener com sua tensão fixa atua sobre o transistor, aumentando sua corrente de base de modo a haver a compensação.

Este tipo de regulador de fonte funciona bem com fontes de baixa potência. Com fontes de alta potência existe um inconveniente: o transistor funciona como um resistor variável e com isso gera calor. Este calor será tanto maior quanto maior for a corrente da carga e maior a diferença de tensão entre seu coletor e seu emissor.

Por exemplo, se aplicarmos 18 volts no coletor de um transistor regulador deste tipo para obter 12 V sob corrente de 1A na carga, a diferença de 6 volts multiplicada por 1 A significa 6 watts de potência que será transformada em calor, conforme mostra a figura 4.

 

Na regulagem muita energia é convertida em calor.
Na regulagem muita energia é convertida em calor.

 

Num televisor no qual o consumo chega a mais de 100 watts a perda de 30 a 50 watts ou mesmo mais na forma de calor somente num transistor da fonte não é nada interessante. Além do gasto desnecessário de energia temos a necessidade de usar transistores potentes montados em bons radiadores de calor.

As fontes chaveadas, operando por um princípio completamente diferente possuem um rendimento melhor e por isso se adaptam perfeitamente aos aparelhos de alto consumo.

Tomemos como exemplo o circuito da figura 5 em que desejamos manter constante a tensão numa carga a partir de uma tensão de entrada, supondo que a carga tenha um consumo que se altere constantemente.

 

Abrindo e fechando o interruptor S vamos manter a tensão na carga em 12 V.
Abrindo e fechando o interruptor S vamos manter a tensão na carga em 12 V.

 

Um exemplo de carga que muda constantemente de consumo é um amplificador de áudio ou um televisor, onde o consumo depende do volume do som (no primeiro caso) ou do brilho da imagem que se modifica a cada cena (no segundo caso).

Vamos imaginar neste circuito que o interruptor S possa ser aberto e fechado muito rapidamente e por tempos que podemos controlar perfeitamente.

Quando fechamos o interruptor por um instante podemos carregar o capacitor até o instante em que ele atinja a tensão que a carga precisa. Sendo muito rápido, podemos desligar o interruptor neste instante para que a tensão não passe do valor desejado.

A tensão não cairá imediatamente a zero, pois agora o capacitor pode descarregar-se lentamente sobre a carga, conforme mostra a figura 6.

 

Fechamos S até que a carga em C chegue à 12 V e depois abrimos.
Fechamos S até que a carga em C chegue à 12 V e depois abrimos.

 

Esperando a tensão no capacitor cair um pouco, fechamos novamente o interruptor de modo a restabelecer a carga, mas somente até a tensão que precisamos.

Neste momento, abrimos novamente o interruptor e esperamos nova descarga. Isso significa que abrindo e fechando o interruptor com uma velocidade conveniente, podemos manter a tensão na carga entre dois valores fixos que sejam convenientes para seu funcionamento, conforme mostra a figura 7.

 

Mantendo a tensão na carga em 12 V.
Mantendo a tensão na carga em 12 V.

 

Se a carga tiver seu consumo aumentado, isso significa que o capacitor demora um pouco mais para carregar e um pouco menos para descarregar até os pontos desejados. Teremos então de mudar os tempos de fechamento e abertura da chave para compensar isso.

Evidentemente, na prática o abrir e fechar da chave, deve ser controlado por um circuito eletrônico que possa perceber essas mudanças.

Na verdade, a chave que no nosso exemplo era um interruptor simples, na prática é trocada por um transistor comutador. Pode ser usado um transistor comum bipolar, um transistor de efeito de campo de potência e até mesmo um SCR para esta finalidade, conforme mostra a figura 8.

 

Usando um transistor como comutador.
Usando um transistor como comutador.

 

Veja então que, neste tipo de fonte, o que temos de fazer para manter a tensão na carga é simplesmente controlar o tempo em que o transistor conduz (fechado) e o tempo em que ele não conduz (aberto).

Para isso, aplicamos na base deste transistor um sinal retangular que tenha seu ciclo ativo variado conforme as necessidades que o transistor tenha de conduzir mais ou menos. O tempo em que o sinal permanece no nível alto será maior se o transistor precisar conduzir mais quando a corrente aumenta e o tempo que ele permanece no nível alto será menor quando a corrente diminuir e a tensão tender a aumentar. Da mesma forma, varia-se o tempo em que o sinal se mantém no nível baixo, conforme mostra a figura 9.

 

A fonte chaveada completa.
A fonte chaveada completa.

 

Quem faz o controle da condução do transistor é um circuito que atua sobre o sinal gerado por um oscilador a partir de uma tensão de referência. Este circuito compara a tensão que desejamos ter na saída com a tensão que realmente está aparecendo neste ponto. Dependendo da diferença entre os dois valores ele gera uma "tensão de erro" que atua no sentido de fazer a correção da tensão de saída alterando o ciclo ativo do sinal de controle.

A frequência do sinal usado nestes circuitos é importante para o seu desempenho. Uma frequência muito baixa significa variações muito grandes nas tensões em que temos a carga máxima e o mínimo de descarga do capacitor. Além disso, este capacitor deve ter valores muito altos de modo a poder fornecer a energia que a carga precisa para o funcionamento.

Uma frequência mais alta permite que a tensão seja mantida entre limites mais estreitos com capacitores de valores mais baixos. Além disso, a indutância em série pode ser de menor valor. Esta indutância influi na velocidade da carga do capacitor quando ocorre a condução do transistor.

As frequências normalmente usadas na prática estão entre 10 kHz e 80 kHz. Nos televisores em especial, o projeto é facilitado pelo uso da frequência do oscilador horizontal (15 750 Hz) que pode ser obtida com facilidade do próprio fly-back (transformador de saída horizontal) conforme veremos na análise prática de um circuito.

Mas, qual é a vantagem deste tipo de funcionamento?

Uma chave aberta não permite a circulação de corrente e portanto não gera calor (corrente nula). Da mesma, forma, num interruptor perfeito, a diferença de potencial entre suas extremidades é nula, o que significa que, qualquer que seja a corrente, não há também produção de calor.

Em suma, se pudermos ter um transistor que se comporte como um comutador perfeito, não haverá perda apreciável de energia no circuito regulador.

Na prática, evidentemente, isso não ocorre. Por melhor que seja um transistor comutador leva certo tempo para que ele ligue assim como para que desligue, conforme mostra a figura 10.

 

A comutação de um transistor não é imediata.
A comutação de um transistor não é imediata.

 

No intervalo de tempo em que a corrente cresce de zero até o máximo e depois no intervalo em que ela decresce do máximo até zero, o transistor apresenta certa resistência ocorrendo então a geração de calor.

No entanto, esse calor é muitíssimo menor que o de uma fonte linear equivalente. O rendimento de uma fonte chaveada é, portanto, muito maior que o de uma fonte comum. Um transistor comutador pode operar com correntes muito elevadas sem necessitar de grandes radiadores de calor.

 

UMA FONTE CHAVEADA NA PRÁTICA

Na figura 11 temos o diagrama da fonte chaveada usada no televisor Philco TV389-1 que bastante popular ainda em nosso país.

 

Fonte chaveada do TV-389-1 da Philco.
Fonte chaveada do TV-389-1 da Philco.

 

Vamos analisar esta fonte, com especial enfoque para o setor de regulagem que caracteriza o sistema que estudamos.

O televisor é ligado acionando-se o interruptor duplo S801. Quando este interruptor é acionado temos a circulação de uma pequena corrente de partida que vai circular pela base do transistor T801, passando pelo resistor R804 e R805.

Com esta corrente o transistor é polarizado no sentido de haver a produção de uma corrente de coletor que vai circula pelo enrolamento primário do transformador TR801. Essa corrente circulando também pelos resistores R804 e R805 vai realimentar o transistor T801 provocando sua saturação.

Com a circulação desta corrente pelo primário do transformador é induzida no secundário do mesmo componente uma tensão que será aplicada à base de T801 por meio de uma rede RC que tem por componentes R806 e C808.

Desta forma, o transistor é levado ao corte uma fração de tempo depois dada pela constante de tempo RC deste circuito de realimentação. Isso significa que o transistor T801 se mantém no corte apenas durante a duração do pulso que é gerado neste processo e que é reforçado pelo pulso de gatilhamento obtido do transformador de saída horizontal, voltando a saturação no seu final.

O que temos então é um oscilador gatilhado e que opera na frequência de 15 750 Hz mas cujo tempo de condução do transistor pode ser variado pela sua polarização de base. Esta variação é justamente que vai proporcionar a regulagem da tensão de saída.

Quem faz a regulagem da tensão modificando o nível do pulso de gatilhamento é o transistor T802 juntamente com o circuito integrado MS801.

Na figura 12 temos o circuito equivalente do circuito integrado MS801.

 

O circuito integrado MS801
O circuito integrado MS801

 

O amplificador de erro que fornece a referência para a atuação dos elementos de controle da regulagem é o transistor T803.

Como ocorrem variações rápidas da tensão de saída, a fonte deve ter uma retificação e filtragem adicionais. O diodo D806 tem por finalidade retificar parte dessas variações enquanto que outra parte é retificada pela própria junção base emissor do transistor T801.

A saída desta fonte corresponde à tensão +B3 de 112V do televisor. Na saída desta fonte temos um elemento de proteção que é o Diac D810 de 115V. Esse componente se comporta como um circuito aberto até a tensão de 115V. Nesta tensão este componente conduzira intensamente colocando o +B3 em curto com a terra.

A operação com duas tensões é importante nesta nossa análise.

Quando a chave S802 de seleção de tensões se encontra na posição de 110 VAC o circuito funciona como um dobrador de tensão com a configuração mostrada na figura 13.

 

O dobrador de tensão do TV-389-1.
O dobrador de tensão do TV-389-1.

 

Observe que neste circuito num semiciclo carrega-se um dos capacitores com a tensão de pico da rede e no semiciclo seguinte o outro capacitor também com a tensão de pico. Os dois capacitores ficam então ligados em série com a carga, somando-se sua tensão na descarga.

Quando a chave seletora está na posição de 220 VAC os diodos D1 à D4 formam uma ponte retificadora de onda completa e a carga dos capacitores ocorre com o valor de pico, mas eles não estarão em série. Isso significa que a carga receberá a mesma tensão que no caso da alimentação com 110V.

Na fonte de alimentação de televisores em cores encontramos a bobina desmagnetizadora.

Esta bobina está ligada com um PTC (RT801) que apresenta uma resistência muito baixa no momento em que a corrente é estabelecida pelo circuito. Tão logo o PTC aquece, a corrente reduz enormemente deixando de circular pela bobina que provoca a desmagnetização do cinescópio.

 

PROBLEMAS COM FONTES CHAVEADAS

Para o técnico que trabalha com este tipo de fonte o importante é saber o que ocorre com o circuito quando determinados componentes entram em pane.

O princípio de funcionamento que analisamos nos permite deduzir o que ocorre nos principais casos de pane e como deve ser feita a análise para descoberta de problemas.

Conforme podemos ver pelo circuito a corrente de saída de +B3 passa toda por T801. As condições de operação deste transistor são portanto bastante críticas nesta fonte.

Temos então duas possibilidades iniciais:

a) Se este transistor entrar em curto, não haverá controle sobre a tensão de saída que deve subir acima dos 115 V provocando então a condução de D810. O resultado é um curto à terra que certamente vai provocar a abertura de F802. O técnico que encontrar F802 aberto deve imediatamente proceder a uma análise de T801 antes de fazer a troca do fusível.

b) Se o transistor abrir não teremos a condução de corrente alguma. O fusível provavelmente não queimará, mas não teremos tensão de saída.

 

Com o transistor em bom estado, mas conduzindo acima do que deve (provocando a queima de F802) ou não conduzindo, o técnico deve analisar os elementos que controlam este transistor.

Novamente temos as seguintes possibilidades:

a) Os elementos que provocam a realimentação do sinal e o pulso de gatilho não estão presentes na base do transistor T801. Neste caso, devemos analisar os resistores R804, R805, o transformador TR801 e o resistor R813 juntamente com C811.

b) O pulso está presente mas não temos tensão na saída porque o controle não é feito de forma normal. Neste caso devemos verificar o circuito de controle e amplificador de erro formado por MS801, T802 e T803.

Veja que neste circuito temos basicamente pulsos o que significa que o multímetro não pode ser usado da maneira convencional a não ser para verificar a tensão de entrada do circuito no ponto MM e de saída no ponto B3.

Para os demais setores do circuito a análise é feita da forma convencional.

 


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