NDICE
Introdução Introdução .......................................... ............................................... .......... .......... .......... .......... ............................ .............................................. ......................................... .................. 2 Topologias Topologias de conversores conversores chaveados chaveados ............................................ ................................................................... ........................................... .................... 4 Topologias Topologias não isoladas ................................................................ ....................................................................................... ................................. .......... 5 Topologias Topologias com isolação ........................................................... .................................................................................. ..................................... .............. 8 Outras topologias topologias .......................... ...................................... .................. ............ ............... ................................ ............................................ ..................... 12 Formas de controle de conversores chaveados ..................... ............. ................ ................ ................ ................ ................ ................ .............. ...... 14 Controle em modo tensão ............................................................................................... 15 Controle em modo corrente ............................................................................................ 16 Circuitos integrados utilizados ....................................................................................... 17
Introdução
Antes do surgimento das fontes chaveadas, a necessidade de regulação da tensão de saída de uma fonte era sanada basicamente da mesma forma em todos os casos: Intercalava-se entre a fonte não regulada e a carga um regulador linear, onde geralmente o componente responsável pela regulação da tensão era um transistor bipolar comum. No entanto, tal solução tinha sempre alguns inconvenientes. Para poder regular efetivamente a tensão, um circuito assim sempre desperdiça uma parte da energia, na forma de calor. Como num circuito assim há sempre uma queda de tensão sobre o elemento regulador, ao mesmo tempo em que circula nele uma corrente, é inevitável a dissipação dessa energia. Quando a carga a ser alimentada alimentad a é de baixa potência, isso não chega a representar um problema, pois a energia desperdiçada e o aquecimento são mínimos. De fato, nos dias de hoje os reguladores e fontes lineares
O resultado será igual a 30 watts. Considerando-se que seja usado um dissipador com resistência resis tência térmica de 1 grau por watt (que já seria um dissipador relativamente grande), teríamos uma geração de calor tal que o dissipador chegaria a atingir uma temperatura 30 graus acima da temperatura ambiente, considerando consider ando que ele fosse instalado ao ar livre. Como numa aplicação prática isso geralmente não acontece – o dissipador fica em relativo confinamento – o aumento da temperatura seria maior ainda. Além disso, o desperdício de energia seria igual a um terço da potência pot ência total. Numa analise comparativa, as fontes chaveadas possuem diversas vantagens em relação às fontes lineares, tais como: &
Menor aquecimento, pois não existirá um semicondutor “jogando energia fora” na forma de calor. É claro que as fontes chaveadas
&
Possibilidade de redução do custo final, devido à inexistência de um transformador com núcleo de ferro. Obviamente, todas as fontes chaveadas possuem pelo menos um elemento indutivo, mas esse elemento possui dimensões comparativamente menores do que um elemento usado numa fonte linear de mesma potência.
mesma rede elétrica tende a deixar a forma de onda da rede elétrica "achatada" nos picos, assim como pode gerar oscilações e ressonâncias espúrias na rede. Outros equipamentos, equipamentos, como por exemplo os reatores eletrônicos para lâmpada fluorescente, também possuem esse efeito indesejado. Tal problema pr oblema pode ser eliminado com a adição de um estágio pré-regulador de fator de potência entre os estágios de retificação e filtragem da entrada da fonte. Algumas fontes mais elaboradas já possuem esse circuito.
É claro que as fontes chaveadas têm também as suas desvantagens, embora a maioria delas possa ser minimizada ou contornada. Dentre as principais desvantagens, podemos citar: & &
Geração de ruído e interferência: Por possuir um circuito oscilador que opera em freqüências relativamente altas (geralmente acima da freqüência máxima perceptível pelo ouvido humano, cerca de 15KHz), toda fonte chaveada irradia uma parcela de interferência eletromagnética (EMI). Tal
E, finalmente, o único inconveniente que não é facilmente contornado: Uma fonte chaveada, via de regra, é mais complexa do que uma fonte linear, o que cria certas dificuldades para o técnico reparador. Mas, assim como com qualquer outro circuito eletrônico, uma vez que o princípio de funcionamento tenha sido entendido, e os pontos principais da
energia para a saída da fonte / regulador. Esse é o princípio universal de
funcionamento das fontes chaveadas.
Topologias de conversores chaveados
Existem diversas topologias de fontes chaveadas, distintas pelo modo como os componentes principais são interligados, e pelo modo como o circuito opera. As topologias principais podem ser classificadas em dois grupos: As topologias não isoladas, sem isolação galvânica entre a entrada e a saída, e as topologias isoladas, onde temos isolação total entre entrada e saída. Os conversores não isolados são os tipos mais simples, e sua aplicação principal se dá em equipamentos onde é necessário gerar uma tensão que não é fornecida pela fonte principal. Alguns exemplos de conversores não isolados: &
Nas placas-mãe dos computadores atuais (Pentium II e posteriores), a
estágio de saída horizontal e alta tensão. &
Nos monitores LCD com fonte externa, onde ela fornece apenas uma única tensão (usualmente de 12 volts), existe internamente pelo menos um regulador chaveado, que gera a partir dos 12 volts uma tensão de 5 volts para alimentar a parte lógica do circuito. Em muitos monitores existe também um regulador de 3.3 volts, pois alguns circuitos mais atuais utilizam essa tensão. A tensão de 12 volts vinda diretamente da fonte é utilizada apenas para alimentar o inversor das lâmpadas do backlight, sendo esse circuito também uma espécie de fonte chaveada.
Topologias não isoladas
Existem três topologias básicas de conversores não isolados: O conversor abaixador (conhecido também como buck ou step-down), o conversor elevador (também conhecido como boost ou step-up) e o conversor inversor (também conhecido como buck-boost). Conversor abaixador Como o próprio nome sugere, nessa topologia, a tensão de saída do circuito sempre será menor, ou no máximo igual à tensão de entrada, uma vez que a sua função é reduzir a tensão. Abaixo temos o diagrama básico de um conversor empregando essa topologia.
princípio da indutância, um indutor é um componente que tende a se opor a uma variação de corrente. No momento em que a corrente fornecida pelo elemento comutador cessar, o indutor entregará a energia armazenada, na forma de um surto de tensão reversa, e a corrente será drenada pelo diodo. Então, a energia armazenada no indutor será "empurrada" para o capacitor de filtro da saída, e conseqüentemente para a carga. No ciclo seguinte, o elemento comutador é novamente ativado, fazendo com que todo o processo se repita. O conversor abaixador é um dos reguladores chaveados mais utilizados atualmente, especialmente em equipamentos de informática de pequeno porte com fonte externa não regulada, onde o uso de um regulador linear entre a fonte (geralmente de cerca de 9 a 12 volts) e o circuito (alimentado com 5 volts) tornaria necessário o uso de um dissipador, aumentando não só a dissipação de calor, como o tamanho final do equipamento. Esse circuito é também a base do conversor forward, o tipo de circuito
Conversor elevador Ao contrário do circuito anterior, no conversor elevador a tensão de saída será sempre maior - ou igual, caso o conversor esteja inativo - à tensão de entrada. Abaixo temos o diagrama dessa topologia.
Como podemos ver, assim como no conversor abaixador, o indutor é intercalado entre a entrada e a saída, mas os semicondutores ficam em posições diferentes. Nesse circuito, no primeiro momento, quando o elemento comutador é ativado, o indutor é submetido diretamente à tensão de entrada, armazenando energia.
melhor aproveitamento da carga da bateria, pois permite que ela seja utilizada praticamente até a exaustão, coisa que não seria possível com um conversor abaixador, pois exigiria uma bateria com tensão muito maior que os 5 volts para proporcionar um bom aproveitamento da carga. O conversor elevador é também a base da maioria dos circuitos de correção de fator de potência em fontes chaveadas, que vem se tornando cada vez mais populares, especialmente em fontes produzidas na Europa, onde as normas técnicas são mais rígidas que as brasileiras, com relação ao fator de potência em circuitos eletrônicos conectados à rede elétrica. Conversor inversor Abaixo vemos o diagrama básico de um conversor inversor.
conversor abaixador de tensão, temos a possibilidade de implementação da proteção contra sobrecarga na saída, pois o elemento comutador está em série com a entrada, e não em paralelo como no conversor elevador. Como já foi mencionado, esse circuito tem aplicação relativamente restrita, sendo uma das topologias menos utilizadas. Esse circuito é utilizado em casos específicos, como por exemplo, em equipamentos que possuem interface serial mas não contam com uma tensão negativa vinda da fonte principal (as interfaces seriais padrão RS-232C, as utilizadas nos computadores e periféricos com comunicação serial utilizam tensão de +12 e -12 volts). Nesse caso, utiliza-se um conversor inversor para gerar a tensão de -12 volts a partir de alguma tensão positiva disponibilizada pela fonte principal. Existe também uma linha de nobreaks, a saber, a linha Prestige, fabricada pela Powerware, onde há um circuito que funciona como conversor elevador quando o nobreak
Conversor misto O circuito conversor misto não chega a ser propriamente uma topologia distinta, mas sim uma fusão do conversor abaixador com o conversor elevador. Abaixo temos o diagrama desse circuito.
Numa primeira análise, a primeira diferença notada é que nesse circuito temos dois elementos comutadores, assim como dois diodos. Conforme a estratégia de controle, os elementos comutadores podem ser acionados juntos ou não, sendo o acionamento simultâneo o mais comum, pois implica em menor complexidade para o circuito de controle. À custa da necessidade de mais um elemento comutador, essa
Topologias com isolação
Após termos estudado os conversores simples, sem isolação galvânica entre entrada e saída, veremos agora os conversores isolados, que são utilizados em diversas aplicações, sendo a mais comum as fontes chaveadas que são conectadas diretamente à rede elétrica. As topologias mais utilizadas nas fontes com isolação são a forward nas suas diversar formas e a flyback, derivadas do conversor abaixador e inversor, respectivamente. Forward simples Aqui temos o diagrama básico de um conversor forward simples (com um único elemento comutador).
vinda do transformador cessa, o que faz com que o indutor descarregue a energia armazenada, através do diodo com anodo aterrado. Esse conversor na sua forma mais crua tem aplicabilidade relativamente restrita, pois possui alguns inconvenientes se comparado às outras topologias forward. Como o transformador também é um elemento reativo, ele tende a armazenar energia, assim como o indutor, o que não é desejável nessa topologia. O transformador deve descarregar-se totalmente entre um ciclo e outro, do contrário, ele gerará perda de energia, aquecimento, e maior consumo de corrente para o elemento comutador. Para contornar esse inconveniente, utilizam-se alguns artifícios, tais como a adição de um enrolamento de descarga, ou seja: um enrolamento que faz com que a energia armazenada no transformador seja entregue de volta ao capacitor de filtro do lado primário no momento em que o elemento comutador é desligado. Outro artifício é a construção do transformador com a maior
Forward push-pull Aqui vemos o diagrama de um conversor forward push-pull, onde temos dois elementos comutadores.
pois reduz o stress dos elementos comutadores, o que tende a aumentar a sua vida útil. Circuitos com conversores forward Push Pull não são muito populares, sendo encontrados predominantemente na fonte de alguns equipamentos de grande porte como, por exemplo, a fonte de algumas copiadoras. Forward em meia ponte
Nesse tipo de circuito, os dois elementos comutadores operam alternadamente, e devem possuir tempos de chaveamento exatamente iguais. Agora, diferentemente do conversor forward simples, temos um transformador que opera simetricamente, o que elimina os problemas de energia residual armazenada. Como único inconveniente dessa topologia, temos o fato de os elementos comutadores
Aqui vemos o diagrama básico de um conversor forward em meia ponte, em duas versões diferentes: Com alimentação simétrica e simples.
do push-pull, que exige um primário com tap central. Assim como no conversor forward push-pull, qualquer energia que fique armazenada no transformador no tempo entre a condução dos elementos comutadores será entregue à saída, não sendo desperdiçada. Na versão alimentada com fonte simétrica, o capacitor em série com o enrolamento primário do transformador serve para evitar que pequenas diferenças entre as tensões de alimentação, ou mesmo no tempo de condução dos elementos comutadores, façam com que o núcleo do transformador sature, o que aumenta enormemente a demanda de corrente, e pode danificar os elementos comutadores, caso não exista uma proteção contra sobrecorrente. O capacitor é opcional, mas é muito utilizado, especialmente em conversores alimentados pela rede elétrica, onde uma pequena avaria em um dos capacitores de filtro após a retificação da entrada já faria com que houvesse uma diferença entre a tensão positiva e a
Forward em ponte completa Abaixo vemos o diagrama de um conversor forward em ponte completa, também conhecido como ponte H.
Nesse circuito os elementos comutadores são ativados aos pares: o elemento comutador superior de um dos lados da ponte é ativado e desativado juntamente com o elemento inferior do outro lado. A maior aplicação dessa topologia se dá em conversores de alta potência, tais
Flyback Aqui temos o diagrama de um conversor flyback, a versão isolada do conversor inversor.
Embora tenhamos um elemento indutivo com dois enrolamentos (ou mais, dependendo do circuito e da quantidade de saídas do conversor), ao pé da letra ele não funciona como um transformador, mas sim como indutores acoplados. Nesse circuito, temos como particularidade a inversão de fase entre o enrolamento primário e o(s)
conversores de alta potência (maior que 200 watts), pelo seguinte motivo: O elemento indutivo tem que se descarregar totalmente entre um ciclo e outro, do contrário ele pode apresentar saturação no núcleo. Devido à necessidade de descarga total, esse circuito costuma operar sempre com largura de pulso baixa (menos de 50% de ciclo ativo na maioria dos casos), o que redunda em maiores correntes circulando pelo elemento comutador, pois é necessário transferir mais energia em menos tempo. Além do mais, numa comparação entre um indutor multifilar e um transformador de mesma potência, o transformador geralmente é menor. Uma outra particularidade desse circuito é o tipo de núcleo usado no elemento indutivo. As peças do núcleo unidas não formam uma peça totalmente contínua: Nas laterais as faces das duas peças de ferrite se encontram, mas no meio fica um pequeno espaço (gap). Esse espaço reduz significativamente a indutância do elemento, para garantir que ele se
Boost push-pull Esse circuito é a versão isolada do conversor elevador. Abaixo temos o seu diagrama.
O princípio de funcionamento é mais ou menos o mesmo do conversor elevador, mas mais complexo: No primeiro momento os dois elementos comutadores entram em condução, fazendo com que o enrolamento primário do transformador se comporte como um curto. Assim, o indutor é submetido à tensão de entrada, e armazena energia. No segundo momento um dos elementos comutadores é desligado,
desse circuito são momentos críticos, o que demanda estratégias de controle especiais no momento da partida e da parada. No momento da entrada em funcionamento é usual os elementos comutadores iniciarem operando com largura de pulso baixa, e ir aumentado gradativamente, até entrar no modo de operação normal, onde começam os momentos de condução simultânea. Isso gera um problema, que também ocorre no momento do desligamento do conversor: A energia armazenada no indutor pode fazer com que os elementos comutadores sejam submetidos a tensões muito altas quando forem desligados simultaneamente, o que pode acabar por destruí-los. Para contornar esse problema usam-se diversos artifícios, como a adição de um enrolamento de descarga no indutor, o que limita a tensão reversa máxima gerada por ele, fazendo com que ela seja devolvida para a fonte, ou bateria. Essa topologia de conversor é comumente usada em nobreaks senoidais importados, onde converte a tensão do
Ressonante em meia ponte Aqui temos dois diagramas de exemplo de conversores ressonantes em meia ponte.
comutação suave, com tensão e / ou corrente nula no momento da ativação. Isso faz com que a interferência irradiada seja menor, assim como o stress dos próprios elementos comutadores. Esse circuito é utilizado em equipamentos onde a demanda de corrente não sofre grandes variações. Uma aplicação onde conversores assim são vistos são as fontes de diversas Tvs fabricadas pela Sony. Também encontramos circuitos assim nos reatores eletrônicos para lâmpada fluorescente, onde a saída não é retificada, mas sim ligada à lâmpada através de um capacitor. Além dos reatores independentes, na maioria absoluta das lâmpadas fluorescentes compactas eletrônicas (excetuam-se as com reator convencional) o reator interno é um circuito ressonante em meia ponte. Ressonante push-pull Abaixo vemos o diagrama básico de
que é controlado pela placa lógica do monitor: O controle de brilho num monitor
LCD se dá pela variação da luminosidade das lâmpadas do backlight.
Formas de controle de conversores chaveados
Após termos visto as topologias da etapa de potência dos reguladores e fontes chaveados, estudaremos os circuitos de controle. A forma mais comum de controle é a modulação em largura de pulso (PWM). Basicamente, existem duas formas de controle PWM: O controle em modo tensão, e em modo corrente. No controle em modo tensão, a tensão vinda de um amplificador de erro (considerando como “erro” o desvio de tensão na saída do conversor) é comparada com um sinal triangular vindo de um oscilador, para gerar os pulsos de controle do elemento comutador. Já no controle em modo corrente, a tensão vinda do amplificador de erro é comparada com uma referência da corrente circulante no elemento comutador.
a tensão de saída. Existem também as fontes chaveadas auto-oscilantes, onde não é usado nenhum circuito integrado na etapa de controle, mas apenas transistores e componentes discretos. Nessas fontes, tanto a freqüência como o ciclo ativo variam conforma e tensão de entrada e a demanda de corrente na saída (exceto se a fonte for sincronizada externamente, nesse caso a frequência será fixa). Esse tipo de fonte é comum em aplicações de baixa potência, tais como: Impressoras de pequeno porte, videocassete, a fonte stand-by das fontes ATX, etc… Existem também alguns monitores que usam esse tipo de circuito, sendo o caso mais conhecido o modelo antigo do Mtek 1428. Algumas fontes padrão AT muito antigas e
Controle em modo tensão
Abaixo vemos um diagrama de exemplo de um conversor abaixador de tensão utilizando o controle em modo tensão.
circuito ilustrado a tensão de referência seja igual à tensão de saída, para facilitar o entendimento, na prática o mais comum é usar-se uma tensão de referência mais baixa (2.5 volts é o valor mais comum), e a tensão de saída passa por um divisor resistivo antes de ser aplicada na entrada do amplificador de erro. O controle em modo tensão é utilizado por diversos circuitos integrados para controle de fontes chaveadas, sendo os mais populares o TL494 e o SG3524. Uma vantagem do controle em modo tensão em relação ao modo corrente é o fato de, quando não é necessária uma proteção contra sobrecarga, não ser necessário o sensor de corrente em série com o elemento comutador. O sensor é necessário no controle em modo corrente. Em compensação, quando é exigida uma proteção contra sobrecarga, um circuito de controle em modo tensão torna-se mais complexo do que um circuito semelhante com controle em modo corrente.
A diferença entre a tensão de saída e
Controle em modo corrente
Aqui vemos o diagrama básico de um conversor elevador com controle em modo corrente.
também circula no resistor em série com o elemento comutador, o que faz com que haja uma pequena queda de tensão sobre esse resistor, e essa tensão é aplicada na entrada não-inversora do comparador de largura de pulso. Quando a corrente atingir um valor tal que a tensão na entrada não-inversora se iguale à tensão na entrada inversora (tensão essa que vem do amplificador de erro), a saída do comparador passará para o nível alto, o que fará com que o flip-flop seja resetado, desligando o elemento comutador. Quando o oscilador gerar o próximo pulso, o ciclo se repete. No caso de a tensão de saída diminuir devido a um aumento do consumo de corrente, a tensão na saída do amplificador de erro aumenta, aumentando também o limite de corrente para o desligamento do elemento comutador. Uma vantagem do controle em modo corrente é o fato de não ser necessária a implementação de uma proteção contra sobrecarga na saída do conversor, pois o próprio circuito de controle já pode limitar a corrente máxima que pode circular no
com controle em modo corrente, que funciona sincronizado com a freqüência de varredura horizontal. Quando esse sincronismo não existe, o ripple (ondulação na tensão) na saída da fonte pode gerar interferências e ondulações indesejáveis na imagem. Outra aplicação onde o controle em modo corrente é popular são os circuitos integrados que já possuem internamente o elemento comutador. O único inconveniente desse tipo de circuito integrado é o fato de, caso o elemento comutador sofra algum dano, o circuito integrado ficará inutilizado. Circuitos integrados utilizados
Nos primórdios das fontes chaveadas as etapas de controle eram construídas com componentes discretos, o que tornava os 3842
circuitos de controle bastante complexos, se comparados aos encontrados nas fontes chaveadas atuais. Mais tarde, com a popularização dos circuitos integrados, o controle passou a ser feito utilizando-se os circuitos integrados então disponíveis no mercado (amplificadores operacionais, comparadores, portas lógicas, etc...). Mais tarde, com o advento dos circuitos integrados dedicados ao controle de fontes chaveadas, as fontes chaveadas tornaram-se bem mais simples, e mais confiáveis, devido à menor quantidade de componentes. Além, é claro, da dificuldade de manutenção, que diminuiu bastante. A partir de agora, passaremos a estudar alguns desses circuitos integrados, analisando o seu diagrama interno e funcionamento.
chaveada. Como é produzido por vários
passa a fornecer uma tensão regulada de 5 volts no pino 8 (saída de tensão de referência), que deve ser conectado através de um resistor ao pino 4, e o pino 4 ao terra através de um capacitor. São esses dois componentes que determinam a freqüência de operação do conversor. Nos casos em que o 3842 deve funcionar sincronizado com um sinal externo, esses componentes são calculados de forma que a freqüência de operação seja um pouco menor do que a mínima freqüência em que o circuito vai funcionar (no caso das TVs é 15.75 KHz, e nos monitores VGA é 31.5 Khz). Para sincronizá-lo, basta aplicar os pulsos de sincronismo no pino 4. É por esse motivo que muitos monitores de vídeo e Tvs tem uma espira de fio enrolada em volta do núcleo do flyback, e ligada no circuito da fonte. Alguns monitores (como o Samsung 450b e o Daewoo 1427x) possuem ao invés da espira um pequeno transformador de sincronismo, ligado entre o lado secundário e primário da fonte. A largura de pulso máxima gerada pelo 3842 beira os 100% (usualmente 97%), sendo limitada apenas
uma largura de pulso não maior que 50%. É comum encontrá-lo em fontes para servidores e também nas fontes de algumas impressoras. &
&
3845: Reúne as características dos dois anteriores, funcionando com tensão baixa como o 3843, e largura de pulso limitada, como o 3844. Dos vistos até agora, é o menos usado. É utilizado, por exemplo, no carregador de baterias dos nobreaks da linha Ten, fabricada pela CP Eletrônica, onde controla um conversor elevador que converte uma tensão de pouco mais de 30VAC na tensão nominal de carga do banco de baterias (95.2 ou 163.2 volts, conforme a quantidade de baterias – 7 ou 12). 3846: Tem saída dupla, ou seja: Os pulsos são alternados entre as duas saídas. É usado em conversores simétricos. Não é visto comumente em equipamentos nacionais, devido
integrados KA2S0880 e DP104, usados na fonte de alguns monitores Samsung. Também podemos citar os STR-Z5717, STR-F6524 e similares, muito usados em monitores LG. Existem também alguns circuitos integrados processadores de
deflexão para monitores, onde encontramos um bloco semelhante, para o controle do +B. Como exemplo podemos citar o TDA4858, onde o bloco de controle é acessível através dos pinos 3, 4, 5 e 6.
LM2576
15V e uma versão com tensão de saída ajustável, que pode fornecer tensões a partir de 1.23V até a tensão máxima de entrada. A tensão máxima de entrada é de 37V nas versões comuns, e 57V nas versões com tensão de entrada extendida (sufixo HV). A corrente máxima é limitada internamente em 3 amperes. A frequência de operação do oscilador é fixada internamente em 52KHz.
Atualmente tem se popularizado no mercado os circuitos integrados que possuem quase todos os semicondutores necessários para a construção de um conversor chaveado. Um desses integrados é o LM2576. Ele foi inicialmente produzido pela National, e logo foi copiado pela Onsemi (Motorola). Excetuando-se o diodo, os capacitores e o indutor, ele possui internamente todo o circuito necessário para a construção de um conversor abaixador com controle em modo tensão. Abaixo vemos o seu diagrama interno.
Além do LM2576, existem outros circuitos integrados da mesma família batizada de “Simple Switcher” - dedicados à construção de outros tipos de conversores. Os mais comuns são o LM2575 e o LM2577.
TL494 Um circuito integrado já relativamente antigo - mas ainda muito popular nos dias de hoje - é o TL494, fabricado inicialmente pela Texas Instruments. Foi um dos primeiros circuitos integrados para esse tipo de função a ser lançado, e atualmente é o mais popular, entre os circuitos de controle em modo
tensão. Assim como o 3842, também passou a ser produzido por vários fabricantes, as vezes com nomes bem diferentes do original. Alguns exemplos de versões com nome diferente: IRM302 (Sharp), KA7500 (Fairchild) e M5TP494N (Mitsubishi). É o circuito integrado usado na maioria absoluta das fontes de PC, tanto AT como ATX. Abaixo, o seu diagrama interno.
conversores com o recurso de “soft start” (partida gradual). O circuito começa a operar com largura de pulso mínima e vai aumentando gradualmente até chegar ao ponto de operação normal. Esse recurso serve para minimizar o surto de corrente nos elementos comutadores no momento em que o circuito entra em funcionamento. &
Dois amplificadores de erro: Graças a existência de dois amplificadores de erro, um deles pode ser usado para monitorar a tensão de saída do conversor, e o outro pode ser conectado a um circuito sensor de corrente. Usualmente o primeiro amplificador de erro é usado para monitoração da tensão e o segundo, quando usado, para monitoração da corrente.
8 e cerca de 35 volts (o limite máximo varia conforme o fabricante), o que elimina a necessidade de um circuito regulador de tensão exclusivo para ele na maioria dos casos. &
Coletores e emissores dos transistores de acionamento acessíveis externamente: O acionamento pode ser referenciado ao terra, à tensão de alimentação, ou até mesmo flutuante, dentro dos limites da tensão de alimentação usada.
Como inconveniente, temos o fato de o TL494 não possuir um latch (trava) para os pulsos na saída, ou seja: Se a tensão na saída dos amplificadores de erro oscilardurante o período de um ciclo (coisa que pode acontecer se o circuito não for bem projetado, ou um capacitor numa saída monitorada do conversor apresentar defeito), o TL494 pode gerar mais de um pulso por ciclo, o que pode levar a instabilidades no
circuito de supervisão das tensões de saída (responsável pela proteção contra sobretensão, e pelo sinal de power good da fonte). Esses circuitos integrados são os que Análise de defeitos numa fonte chaveada
Agora, após termos estudado a teoria de funcionamento das fontes chaveadas, passaremos a analisar algumas fontes chaveadas reais, e identificar os principais pontos de ocorrência de defeitos. Além dos pontos de possíveis defeitos, também veremos os valores e substituições mais comuns para alguns componentes. Tendo em vista a dificuldade, ou mesmo a impossibilidade de obter esquemas de algumas fontes, esse tipo de conhecimento se torna útil no dia-a-dia do técnico reparador: É relativamente comum chegar para reparo uma fonte com componentes carbonizados, ou um equipamento com a fonte nessa situação. Além disso, também há a possibilidade de
são encontrados em algumas fontes com uma inscrição tipo “2002” ou “2003”.
Para começar, estudaremos a função de cada componente numa fonte com 3842, resumida ao máximo. Embora as fontes reais
possuam alguns refinamentos adicionais no circuito (filtros de linha na entrada, filtragem adicional na saída, etc..), esse circuito já é uma fonte totalmente funcional. Abaixo, o diagrama.
Iniciando pela entrada, temos primeiramente um fusível. Via de regra, é usado um fusível de ação lenta, para que ele não se queime no momento em que a fonte
com que o capacitor C_VCC se carregue até atingir a tensão de 16 volts, quando o 3842 começa a funcionar. Caso esse resistor abra, a fonte simplesmente não entrará em
Fonte genérica com 3842
partirá, e se ele abrir, ficará tentando partir continuamente, como se houvesse um curto na saída. Esse diodo pode ser substituído por praticamente qualquer diodo rápido que suporte pelo menos 1 ampere, como por exemplo o BYV95B. Em algumas fontes, existe um resistor em série com esse diodo. Caso esse resistor abra, o efeito será o mesmo do diodo aberto. O resistor R_GATE limita a corrente circulante entre o pino 6 (saída) do 3842 e o gate do FET. Como a junção gate-source do FET comporta-se como um capacitor, os picos de corrente nos momentos de subida e descida do pulso na saída do 3842 poderiam danificá-lo, pois ele suporta uma corrente de pico de cerca de 1 ampere, no máximo. Se esse resistor for encontrado carbonizado, pode ser substituído por um de 10 ohms / 1 watt na maioria dos casos. O R_GATE2 serve para evitar que o FET possa entrar em condução sozinho, caso o 3842 fique com a saída num estado de alta impedância. Caso esse resistor seja encontrado aberto, o valor mais usual para ele é 10K. Já o zenner
400 volts já serve. O resistor R_DAMP e o capacitor C_DAMP funcionam como uma rede de amortecimento dos pulsos de tensão reversa do primário do chopper. As imperfeições e indutâncias residuais do chopper fazem com que, no momento em que o FET é desligado, possam surgir transientes de tensão mais alta do que o FET pode suportar, levando-o à queima. Esses componentes não costumam torrar, mas podem levar o FET a queimar caso apresentem defeito, sendo o caso mais comum a abertura do resistor. Em algumas fontes não há o resistor, apenas o capacitor. Em algumas fontes existe também um circuito snubber de tensão, com um diodo, alem de um resistor e um capacitor em paralelo com o resistor. E, algumas fontes de baixíssima potência não possuem nenhum circuito de amortecimento. O resistor R_SENS1 é crítico, pois é ele que determina a corrente máxima que circulará pelo FET. Na hipótese de ele ser encontrado aberto e ilegível, deve-se
pequenos “clicks”. As vezes o FET superaquece e queima se a fonte for deixada ligada na rede elétrica, nessa situação. O 3842, já estudado, é o controle da fonte. Para sabermos se ele está operando corretamente, quando a fonte estiver ligada, o macete mais prático é medir a tensão nos pinos 8 e 2. No pino 8 deve haver 5 volts, e no pino 2, 2.5 volts. Para ver se ele está danificado, com a fonte desconectada da rede elétrica, pode-se medir a queda de tensão do pino 5 para os pinos 6 e 7, com o multímetro na escala de medida de diodos. Em ambos os casos, a medida deve ser semelhante a de um diodo (500 a 700 milivolts). C_REF é o capacitor que filtra a tensão de referência, de 5 volts. Os valores usuais para ele ficam entre 100 e 220nF. Os resistores R_FB1 e R_FB2 determinam o ganho do amplificador de erro. Em fontes com optoacoplador como essa que está sendo ilustrada, eles costumam
optoacoplador sofra interferências por estar com a base desconectada (a exceção são os optoacopladores de 4 pinos). Esse resistor costuma ter valor alto, em torno de 2M2. No lado secundário temos o D_RET, o diodo retificador da saída e o C_SAÌDA, o capacitor de filtro da saída. As especificações desses componentes dependerão das características da fonte. Se o diodo entrar em curto, a fonte vai ficar tentando partir, e o FET pode superaquecer e queimar. Já o capacitor, se apresentar defeito, pode fazer com que a fonte fique instável, funcionando com ruído, ou mesmo que a tensão de saída fique mais alta ou mais baixa do que o esperado. O TL431 é geralmente referenciado como um circuito integrado, mas trata-se na verdade de um diodo zenner variável, onde a sua tensão de barreira é controlada externamente, pelo pino 1. Ele passa a conduzir como um diodo zenner polarizado quando a tensão no pino 1 atinge 2.5 volts. O divisor formado por R_DIV1 e R_DIV2 é
Fontes sem optoacoplador A fonte analisada possui um optoacoplador para enviar ao 3842 uma referência da tensão de saída. No entanto,
existem fontes que não possuem o optoacoplador, e a referência é colhida no próprio enrolamento auxiliar do chopper. A seguir, vemos um exemplo de como isso é feito.
Fonte do monitor Proview 456 e outros
Agora estudaremos a fonte dos monitores Proview baseados na placa PR98. Além do modelo 456, a mesma placa é usada nos modelos 462, 566, e no Microtec modelo MD15-9. E, excetuando-se a numeração dos componentes, a fonte do modelo 558 é praticamente a mesma. Anexo no final da apostila temos o esquema. Assim como a fonte de diversos outros monitores, a fonte do Proview 456 permanece sempre ligada, mesmo que o monitor em si esteja desligado. Devido a isso, é necessário se ter cautela ao executar qualquer medição ou teste na fonte quando o monitor está conectado à rede elétrica, pois a fonte estará permanentemente alimentada. Em monitores desse tipo, o desligamento se dá pela interrupção da alimentação do oscilador horizontal e dos estágios de deflexão e vídeo, mantendo-se apenas a alimentação do microcontrolador. Nessa
fonte,
como
não
há
Nessa fonte é usado um 3842B, uma versão melhorada do 3842. Assim como o 3842A, ele necessita de uma menor corrente para iniciar a operação, mas não tão baixa quanto um 3842A. Se ele for trocado por um 3842 comum (sem nenhuma letra no final), a fonte terá dificuldade para partir, ou poderá só funcionar em redes de 220 volts. Isso também é muito comum na fonte dos monitores AOC. Um detalhe interessante dessa fonte é a proteção contra sobretensão, implementada de uma forma não muito convencional: O diodo zenner ZD502 ligado entre os pinos 7 e 3 do 3842. Se por qualquer motivo a tensão nas saídas da fonte subir, a tensão no pino 7 do 3842 também subirá. Se essa tensão tender a passar dos 19 volts, o zenner fará com que a tensão no pino 3 chegue a 1 volt, inibindo o funcionado do 3842. Uma outra particularidade dessa fonte, não tão incomum em outras fontes, é a forma de ligação do gate do FET: Ao invés
e começa a corroer a pista e o cursor do trimpot. Também é aconselhável verificar o ajuste das tensões de saída (esse ajuste deve ser feito com o monitor funcionando). Verificar também o capacitor C510.
a possibilidade de inversão do loop de sincronismo (especialmente após a troca do flyback), e verificar os componentes associados ao pino 4 do 3842. &
&
&
Tensões caem quando o monitor é ligado e a fonte fica armando e desarmando: Verificar possível alteração do R523, além do C510. Caso a placa apresente sinais de já ter sido mexida, é bom verificar também o ajuste de tensão.
&
Dificuldade para partir / só funciona em rede de 220 volts: Possível defeito provocado pela troca do 3842B por um 3842 comum. O 3842B pode ser substituído pelo 3882, ou pelo 3842A. FET aquecendo excessivamente: R534 ou D505 aberto.
Interferências na imagem: Descartar
Fonte da impressora Epson LX-300
Semelhante às fontes de outras impressoras Epson, a fonte da LX-300 é um conversor flyback com controle auto-oscilante. De fato, no lado primário, o circuito é semelhante ao usado na fonte de
duplo, o que significa que ele possui internamente dois conjuntos led / fototransistor. Um dos pares é usado para o envio da referência da tensão de saída, e o outro é usado como uma proteção adicional. Se o circuito de regulação da tensão falhar, a proteção inibe o chaveamento do FET se a
fonte são de obtenção relativamente difícil. Devido a isso, é comum optar-se por componentes equivalentes. A substituição mais comum para o FET é o 6N60, mas ele pode ser substituído por outros inferiores, como o IRF840 e o IRF740. O Q2 (2SC4408) pode ser substituído pelo BC639. O Q3 (2SA1015) pode ser substituído pelo 2SA733, ou pelo BC640. Eventualmente o resistor R2 também se queima, e pode ser substituído por um termistor NTC comum, do tipo que é usado em fontes de PC. O circuito integrado do conversor abaixador (IC51) é um NJM2360, e pode ser substituído pelo MC34063, de custo bem menor e mais fácil de ser encontrado no mercado. Via de regra, a maioria dos defeitos apresentados por essa fonte se localiza no lado primário, sendo raríssimos os defeitos em componentes no lado secundário, excetuando-se as soldas frias. Os defeitos mais comuns nessa fonte são: &
Queima recorrente do FET: O
amortecimento C15. &
&
&
&
Liga as vezes: A chave liga / desliga apresenta defeitos com certa frequência, podendo ser limpa ou, em último caso, substituída. Verificar também uma possível fuga na junção gate-source do FET, que pode fazer com que a fonte se desligue quando submetida a carga. Ruído anormal: Essa fonte, assim como várias outras fontes auto-oscilantes, emite um pequeno ruído durante o funcionamento. Mas, se o ruído for excessivo, deve-se verificar o capacitor C11. Queima recorrente do fusível, sem curto no FET: Esse defeito geralmente é causado por curto parcial na ponte retificadora DB1. Tensões de saída anormalmente baixas: Verificar possível fuga nos zenners ZD51, ZD52 e ZD53, além
geralmente toroidal, por um simples motivo: Manter a uniformidade das tensões de saída. Caso uma saída tenha de fornecer mais corrente do que as outras, o acoplamento dos indutores garante que uma tensão não subirá mais que a outra.
diferentes para gerar essa tensão. Em algumas fontes, os 3.3 volts vem de um bloco de retificação e filtragem igual aos das outras saídas. Já em outras, mais raras, existe um regulador chaveado exclusivo para essa tensão.
O circuito na parte inferior esquerda do diagrama é a fonte stand-by, que fornece a tensão de 5 volts stand-by (geralmente um fio roxo), além de uma tensão da ordem de 12 a 32 volts, que alimenta o TL494. Essa fonte fica sempre ligada, e é o maior ponto de incidência de defeitos nas fontes ATX. O maior responsável pelos defeitos é o capacitor C3, que ao secar faz com que a tensão de saída dessa fonte aumente, até causar a queima de componentes no lado secundário e da própria fonte stand-by. Se esse capacitor for encontrado seco, é aconselhável substituí-lo por um capacitor de tântalo. Outro defeito comum é a abertura do resistor de partida, o R3.
No canto inferior direito, temos o circuito que gera o sinal de power-good (fio cinza, na maioria das fontes). Algumas fontes utilizam um circuito temporizador, como o diagrama. Já algumas fontes mais elaboradas possuem um circuito mais complexo, com comparadores, ou mesmo um circuito integrado dedicado exclusivamente à geração desse sinal.
O controle do liga/desliga da fonte geralmente é feito através do pino 4 (dead
Defeitos comuns: &
&
Não liga, sem tensão no fio roxo: Fonte stand-by danificada. Verificar o resistor de partida e o transistor chaveador. Fonte emite um “tic” e não parte: Um dos diodos retificadores da saída
Fonte do monitor Samsung 450b
Um exemplo de circuito de fonte onde é usado um circuito integrado que engloba tanto o circuito de controle como o elemento comutador é a fonte do monitor Samsung 450b, igual ao 550v. O circuito integrado usado é um DP104C, fabricado pela própria Samsung, e copiado de um integrado fabricado pela Fairchild. O esquema está na area de anexos no final da apostila. Quando o monitor está desligado (chave na posição off), a fonte permanece alimentada, mas não operante. A chave desliga a alimentação do DP104C. Quando a chave é ligada, o capacitor C608 se carrega com a tensão fornecida através dos resistores de partida, R606 e R607. Quando a tensão no capacitor atinge o valor mínimo para a partida do DP104 (alimentado pelo pino 3), ele começa a chavear o enrolamento primário do chopper, através do seu pino 1 (correspondente ao dreno do FET que ele possui internamente). Os pulsos vindos do
subir, buscando compensar o aumento de consumo e consequente diminuição das tensões. Essa fonte é sincronizada com a varredura horizontal do monitor. Isso é feito injetando-se o sinal de sincronismo no pino 5 do DP104, uma entrada específica para essa função. Nesse monitor não é usado um loop de fio em volta do núcleo do flyback, mas sim um transformador de sincronismo, o T602. O mesmo princípio de funcionamento usado no DP104 vale também para os circuitos integrados DP704 e DP904, tendo como diferença apenas a capacidade de corrente e a faixa de tensões de operação. Defeitos comuns: &
&
Ruído excessivo: (150uF/400V) seco.
C607
Não liga, nem emite ruído: Chave
A
B
C
D
E R53
1
R64
Diagrama da fonte da impressora LX-300, desenhado com base no original e na placa. A fonte em si é um conversor flyback auto-oscilante. O circuito que gera os 9 volts a partir dos 35 volts é um conversor abaixador, cujo componente principal é o I C51 (NJM2360).
1
R82 R81
8
7
6
5
L51
C54
IC51 T1
C11
2
1 B D 1 W S
C15
1
8 1 R
1 Q
R12
2
3
4
C51
D55
1 2 3 4 5
C58
C14 C8
5 6 R
D51
D2 C13 1 D
C3
R19
C4
Q2
R15
D52
R55
C55
2
C56
Q3
Q82 R54
L1
Q81
R13
3
R16
R56 ZD53
C1
ZD52
3
R14 R21 R2 R1
D82
ZD51
C12
D81
R57
IC1
F1
D83 Pinos 1 e 2 = 35V Pinos 3 e 4 = GND Pino 5 = +9V aprox.
R20 4
PC1 R68 R31 A
B
© 2006 Marcelo Zazulak
R69 C
D
E
4
A
B
C
D
E
F
G
H
L5
T1
V 2 1 +
D19
1 C10
C19 7 1 R
Q5 D13
T2
R13
R14
3 2 R
C27 3
R
L6
R24
V 5 +
D18 C6 R12
C18
SW1
6 3
C21
C26 R
C20
R22
D1
V 5 -
D17 C9 C17
Q4 D12
2
R10
D16
5 3 C25 R
R11
C5
2 V 2 1 -
D15 R9 D14
D11
+VCC 0 2 R
Q3
C2
4 3 C24 R
r o t o M
R8
1
7
C22
D N G
1 2 R
+12V 3
Q1
L1
3 0 1 D
+5V 3 3 R
Q7
6 D
16
15
14
13
12
11
10
9
+5VSB 2 3 R
TL494 5 D
1
2
3
4
5
6
7
6 2 R
8
7 2 R
2 2 D
PS-ON
C8
4 D
4
V 3 . 3 +
R7
+5V
C1
C28 1 3 R
+
4
R19
R6
D20
1 R
-
6 1 R
R5
1 F
C16
C14
5 2 R
C15
R15
R18
+5V F 5
T
0 3 R
N
ENTRADA
C23
C7
R3
5
D9
D8
1
D7
C3
PG
R29
C13 7805
D2 D3
Q6
+VCC
4 R
R2
C4
L3
+5VSB
3
8 2 R
2
Q2
D21
C12 C11
© 2006 Marcelo Zazulak A
B
C
D
E
F
G
H
