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TÉCNICA – Conserto de fonte chaveada com saída variável de 12 até 24V


Figura 1 – Fonte chaveada com saída variável de 12 a 24V.

Figura 1 – Fonte chaveada com saída variável de 12 a 24V.

As fontes chaveadas pequenas tornaram-se muito populares, desde que seu preço reduziu a ponto de custarem, atualmente, menos que as fontes lineares, que utilizam transformador com núcleo de ferro-silício e trabalham a 50 ou 60Hz.

O baixo preço, aliado ao pequeno peso e tamanho, faz destas fontes uma opção atraente para os mais diversos usos, especialmente as que tem potência abaixo de 150W.

Mas as fontes genéricas, de marcas desconhecidas, tem projetos simplificados ao máximo, a qualidade da montagem costuma ser sofrível, além de empregarem componentes de qualidade duvidosa, utilizados muito perto de seus limites. Tudo para manter o custo baixo. Isto as torna muito frágeis e geradoras de interferências, já que os fabricantes negligenciam as proteções eletromagnéticas.

Neste post, abordo o conserto e a melhoria – dentro do possível – de uma destas fontes (figura 1), que tem saída estabilizada, em passos de 12 a 24V, selecionáveis em 7 posições. A potência varia conforme a tensão de saída (a corrente máxima é 4,5 ou 5A). Em 12V, fornece 54W, ao passo que com 24V, chega a 120W. Ela pode alimentar notebooks.

Avaliação inicial

Esta fonte tinha queimado vários componentes, provavelmente por causa duma falha na solda do transistor MOSFET de chaveamento. Como se vê, a solda foi esmerilhada (figura 2) para reduzir sua altura e poder caber no invólucro. Isto pode ter piorado a qualidade da união, pois aparecem trincas entre os terminais do transistor e as outras gotas de solda.

Além disso, a figura 3 mostra a tampa da fonte, onde a mancha esbranquiçada, causada por fumaça, está localizada exatamente sobre aquela solda defeituosa, do transistor MOSFET.

Numa avaliação inicial, estavam queimados o fusível, o transistor MOSFET e respectivo resistor de supridouro (figura 4).

 Figura 2 – Detalhe da solda do transistor MOSFET de chaveamento.

Figura 2 – Detalhe da solda do transistor MOSFET de chaveamento.

Figura 3 – Tampa da fonte chaveada, com marca de fumaça.

Figura 3 – Tampa da fonte chaveada, com marca de fumaça.

Figura 4 – Componentes inicialmente identificados como queimados.

Figura 4 – Componentes inicialmente identificados como queimados.

Figura 5 – Ligação típica de um equipamento sob teste, em série com uma lâmpada incandescente.

Figura 5 – Ligação típica de um equipamento sob teste, em série com uma lâmpada incandescente.

Após trocados estes componentes e ligada a fonte, através de uma lâmpada incandescente em série, de 40W (figura 5), verificou-se que ainda havia curto-circuito. A lâmpada ficava acesa, pois a ponte retificadora BR1 estava queimada. Por descuido, esta peça não tinha sido verificada.

O teste com lâmpada em série é importante para evitar a queima dos componentes recém colocados. Mesmo sem poder garantir que não haverá dano, pois depende do tipo de defeito, é mais sensato utilizar este circuito auxiliar. Deve-se deixar a potência da lâmpada sempre bem menor que a potência do equipamento sob teste. Se o teste for satisfatório, pode-se aumentar a potência da lâmpada em série. Se novamente estiver tudo bem, só então proceder ao teste definitivo: alimentar um equipamento.

Olhando melhor

Após a troca da ponte retificadora, a fonte continuou inoperante. Isto nos obrigou a aprofundar a análise, de modo a compreender a extensão do defeito. O equipamento emprega a topologia flyback, com o circuito integrado UC3843, que controla o regime de chaveamento de Q1.

Conversores com esta arquitetura tem a entrada isolada galvanicamente da saída e utilizam indutores acoplados, que ora conduzem num enrolamento, ora noutro, mantendo o fluxo de corrente. Apesar da semelhança física, os indutores da arquitetura flyback não compõem um transformador.

Este artigo não pretende detalhar o funcionamento da fonte chaveada. Para conhecê-las melhor, há um excelente material disponibilizado pelo professor José Antenor Pomilio, da Unicamp [1]. O capítulo 2 da apostila da disciplina de Fontes Chaveadas, trata das topologias [2]. Na referência [3], há um livro completo sobre Eletrônica de Potência, do mesmo autor, também disponível gratuitamente.

Outra página, do professor peruano Armando W. Cavero Miranda [4], disponibiliza uma quantidade absurda de conteúdo na área de eletrônica de potência. E o sítio Faíscas [5] tem uma ótima apresentação sobre a evolução das fontes de alimentação.

Figura 6 – Diagrama esquemático do primário da fonte chaveada multitensão.

Figura 6 – Diagrama esquemático do primário da fonte chaveada multitensão.

Figura 7 – Diagrama em blocos do controlador de fonte chaveada UC3843.

Figura 7 – Diagrama em blocos do controlador de fonte chaveada UC3843.

De volta ao nosso problema, na figura 6 temos o diagrama esquemático do estágio primário da fonte, que é o lado “vivo” do circuito (por onde entra a energia da rede elétrica). O contato com qualquer conexão deste estágio poderá causar um perigoso choque elétrico. Deve-se manusear o circuito somente algum tempo depois de desligá-lo da rede elétrica, para os capacitores descarregarem-se suficientemente. Em caso de defeitos, pode ocorrer do capacitor principal da fonte (C1 em nosso caso) não se descarregar, portanto deve-se precaver contra esta possibilidade.

Mais adiante, será abordado o estágio secundário, que é o setor de saída, de 12 a 24V. A fonte foi separada em estágio primário e secundário porque, apesar de haver dependência entre eles, as etapas podem ser entendidas mais facilmente quando vistas de forma isolada.

As peças queimadas estão destacadas em vermelho, o que ajuda a formar um caminho de falha. Se pensarmos que o defeito começou pelo transistor Q1, por causa da solda ruim, é possível imaginar a trilha do estrago.

Começando com Q1 em curto-circuito, o supridouro (S) e a porta (G) recebem 300V CC. Temos, a partir deste ponto, dois trajetos para esta tensão: a porta e o supridouro de Q1.

Pela porta de Q1, o surto de energia chega ao UC3843 (U1) até o pino 6, através de R6/D2 e R9, danificando antes o zener ZD1 (18V) de proteção da porta. Pelo lado do supridouro de Q1, a corrente é tão intensa que queima R3, de 0,33 ohm, ligado ao terra. Com R3 aberto, o transiente segue para o pino 3 (sensor de corrente) do UC3843, através de R5, de 150 Ohm.

A razão de utilizar resistor de filme metálico para a posição de R3 é que estes resistores abrem como um fusível, quando queimam. Outros tipos, como os de carvão, podem aguentar mais tempo uma sobrecarga, e só então abrir, o que poderia causar um princípio de incêndio.

Então, o circuito integrado U1, com 300V nos pinos 3 e 6, não aguenta e queima. Apesar da sobrecarga, R5 e D2 não queimaram e R6 ficou apenas chamuscado.

Além disso, o optoacoplador (U2) também danificou-se, provavelmente por causa de U1. Na figura 7, podemos ver o diagrama interno do UC3843. Pode-se inferir que U1 causou a queima de U2 pela linha interna de Vcc (pino 7). Como entrou 300V no pino 6, que tem um transistor ligado diretamente a Vcc, isto talvez tenha causado a queima de U2, mas é mera suposição. O próprio chip, internamente, devido ao tamanho e/ou aquecimento interno, pode ter levado a tensão adiante e queimado U2.

Continuando pela nossa trilha de falha, estes componentes queimados apresentam, então, uma carga muito grande para a ponte retificadora BR1 e ela queima. Daí o fusível abre, só para não pegar fogo em tudo, pois o estrago já está feito. O tempo decorrido entre a queima de Q1 e a abertura do fusível é, certamente, menor do que meio segundo.

Esta linha da raciocínio foi a mais plausível para esta fonte e dá uma vaga ideia do tipo de defeito que ocorreu. Mas são hipóteses, não certezas. Cada caso (e circuito) tem que ser analisado detalhadamente e a abordagem poderá ser feita de outra maneira.

O que foi trocado

A fonte só conseguiu ser revivida após trocar mais 3 componentes: um diodo zener, o integrado de chaveamento e o optoacoplador. Segue a lista de todos os componentes queimados – à esquerda está a referência de cada peça, escrita na placa de circuito impresso:

  • FUSE – fusível 2A;

  • BR1 – ponte retificadora KBP206G;

  • Q1 – transistor MOSFET de chaveamento SW7N60;

  • R3 – resistor de supridouro, de filme metálico, 0,33 ohm – 2W;

  • U1 – integrado de chaveamento KA3843 ou UC3843;

  • ZD1 – zener 18V;

  • U2 – optoacoplador PC817.

O fusível substituto (FUSE) é verde, com formato parecido com um resistor (figura 8). Ele é do tipo rápido (F). O ideal, nestas fontes, seria um fusível tipo T, que tem um certo retardo até queimar. Isto evita que ele danifique-se no momento da carga do capacitor C1. Mas como o valor deste capacitor é baixo (22uF) e a fonte tem um termistor na entrada, que também alivia o pico inicial de corrente, o fusível foi mantido igual.

Figura 8 - Fusível 2A F.

Figura 8 – Fusível 2A F.

A ponte retificadora BR1 é um componente comum em fontes de PC, onde costumam ser mais robustas, pois manejam mais potência. Se a forma e a distância entre os terminais for semelhante, pode ser montada sem problemas. Apenas deve-se atentar para a polaridade.

Não é de bom alvitre guiar-se pelo chanfro do encapsulamento, pois pontes retificadoras mais antigas, como as da Semikron, tinham a marca para o pólo negativo, o inverso das atuais. Para exemplificar, no canto superior esquerdo da figura 9, está a ponte retificadora da Semikron e logo abaixo, a original da fonte. As pontes ali mostradas operam entre 2 e 4A, sob tensões de 600 a 1000V, exceto a verdinha BY164 [6], que é para 1,5A, 80VCA e fontes lineares.

A KBP206G pode suportar até 2A e 600V [7]. Ela foi trocada por outra ponte de 2A e 800V, a PBS208GU, mas não foi possível descobrir algum datasheet.

Figura 9 – Pontes retificadoras diversas.

Figura 9 – Pontes retificadoras diversas.

O transistor MOSFET de chaveamento Q1 era o Samwin SW7N60. Se for absolutamente impossível colocar um MOSFET igual ao original, é necessário atentar para algumas características importantes ao escolher um substituto, como foi nosso caso. O transistor poderá ter, eventualmente, alguns parâmetros melhores, mas nunca diferentes demais, pois poderia precisar de ajustes em outros componentes da fonte.

Apesar destes cuidados, há também imprecisões dos fabricantes. Encontramos datasheets diferentes para o mesmo transistor SW7N60. Em Semipower [8], a folha de dados está na revisão 3.0, ao passo que o datasheet proveniente de Dianyuan [9], está na revisão 0.2. Comparando-se os dois documentos, são encontradas várias características desiguais, o que faz pensar que os transistores não seriam os mesmos. Será utilizada a versão mais recente como referência, quando não houver comentário especificando isto.

Então, o SW7N60 maneja até 7A sob 600V e tem uma Rds máxima de 1,3 ohm (ou 1 ohm, conforme o datasheet da revisão 0.2 – [9]). Rds ou Rds(on) é a resistência entre dreno e supridouro que o transistor apresenta quando está conduzindo. Na prática, quanto menor esta resistência, menos o transistor aquecerá, pois haverá menos queda de tensão entre o dreno e o supridouro. Tensões de trabalho mais altas geralmente implicam em Rds maior.

Para escolher o novo componente, foi definido que a tensão de trabalho (Drain to Source Voltage – Vdss) deveria ser a mesma, a corrente de dreno (Id) deveria ser igual ou maior, e Rds deveria ser igual ou menor. Obviamente, também deveria ter o mesmo encapsulamento isolado (TO-220F).

O transistor encontrado na sucata, que preencheu os requisitos, foi o 2SK3569. Ele tem Vdss de 600V, maior capacidade de corrente (Id =10A) e menor Rds (0,54 ohm), conforme a Toshiba [10]. Mas há mais alguns detalhes a observar, para podermos aceitá-lo como equivalente.

Por exemplo, a tensão de porta mínima (Gate Threshold Voltage – Vgs(th) ou Vth) para fazê-lo conduzir. O substituto deve ter este limiar de disparo semelhante ao transistor anterior, ou muito próximo disso. O original disparava entre 2 e 4V, o mesmo que o 2SK3569. Mas, no datasheet da versão 0.2 do SW7N60 [9], consta um Vth entre 2 e 5V.

A diferença não é muito grande, pois os dois conseguem ser ativados por níveis lógicos. Pode haver alguma alteração no início da condução, mas os valores, em princípio, estão dentro da tolerância dos transistores e são pequenos o suficiente para o circuito compensar. Mas se colocássemos no lugar um MOSFET que necessitasse tensões mais altas para chavear, o circuito poderia não funcionar.

Outra questão é a capacitância de entrada (Ciss), que no SW7N60 era de 960pF (mínimo) e no substituto é 1500pF. Diferenças neste valor resultam no atraso ou adiantamento do acionamento do MOSFET e podem comprometer a eficiência do circuito. Na versão antiga da ficha técnica do SW7N60, consta 1500pF.

Os tempos de chaveamento indicam até qual frequência o componente pode ser utilizado. São definidos com 4 parâmetros. Os valores à direita de cada item referem-se ao MOSFET original e substituto, respectivamente:

  • O tempo de retardo até o início da condução (Turn-on Delay Time – Td(on) ou Ton): 15 a 50ns, contra 50ns;

  • O tempo de subida (Rise Time – tr): 30 a 80ns, contra 22ns;

  • Tempo de retardo no desligamento (Turn-off Delay Time – Td(off) ou Toff): 100 a 150ns, contra 36ns;

  • Tempo de decaimento (Fall Time – tf): 38 a 100ns contra 180ns.

Nota-se que o 2SK3569 é mais veloz, perdendo apenas no tempo de decaimento. Quando montado na fonte, o transistor pareceu aquecer-se, mas ainda não foram feitos testes conclusivos, nem é possível a comparação com o anterior. Em princípio, tudo funcionou adequadamente.

Como curiosidade, na excelente página da Elektroda [11], há um esquema de uma fonte Dell, utilizando o 2SK3569. O sítio é em polonês, mas tem opção em inglês. Deve-se estar logado para acessar os arquivos.

O resistor de supridouro (ou resistor sensor) R3 era, originalmente, de 0,33 ohm. Como não havia outro resistor idêntico, de filme metálico, foi colocado um de 0,39 ohm. Este resistor vai ligado ao pino 3 do UC3483 e tem a função de informar a corrente que passa pelo MOSFET. A tensão sobre o resistor é monitorada constantemente e deve ficar dentro de um limite mínimo e outro máximo. Quando ultrapassados estes limites, o circuito de chaveamento modifica a forma de onda de chaveamento do MOSFET, compensando a falta ou o excesso de energia.

A consequência de utilizar um resistor de valor mais alto como sensor de corrente é a redução da potência disponível pela fonte (em torno de 18%). Mas isto também poderá proteger o equipamento e evitar nova queima. Se houvesse necessidade de toda a potência, poderia ser colocado outro resistor de 2,2 ohm em paralelo com R3, o que manteria o valor original do resistor (0,33 ohm). Mas por segurança, considero melhor utilizar um só componente como resistor sensor, que irá queimar rapidamente, caso ocorra uma sobrecarga.

O circuito integrado com a lógica de chaveamento U1 é o bem conhecido KA3843, ou UC3843. A denominação original é Switch Mode Power Supply (SMPS) controller. O modelo utilizado nesta fonte tem 8 pinos, em formato DIL (Dual In Line) e vários fabricantes o produzem. Ele trabalha com frequência fixa e sua folha de dados está nas referências [12], [13] e [14].

Há também extensa documentação para o dispositivo, proveniente da Texas [15]. Nestas notas de aplicação, há um projeto de fonte de 25W, muito semelhante a este com que trabalhamos.

E no Blog PWM [16], há várias aplicações para o UC4843, como carregador de baterias, elevador de tensão e fonte a 80KHz.

O diodo zener ZD1, de 18V, foi substituído por outro de mesma tensão e potência (18V – 0,25W).

O optoacoplador (ou isolador óptico) U2, por sua vez, é figurinha fácil: é o PC817 [17]. É encontrado em praticamente todas as fontes chaveadas: carregadores de celulares, aparelhos de DVD e CD, além das fontes de notebooks e PCs.

Pela quantidade de peças queimadas, obviamente que o tempo gasto não compensaria o conserto, ainda mais considerando o custo das peças. Mas os componentes aqui utilizados vieram todos da sucata, exceto o fusível. Para uso particular, ou para compreender o funcionamento, pode valer o esforço.

Os componentes “opcionais” da fonte

Na figura 10, tem-se uma visão geral da placa da fonte, já consertada. Nota-se que faltam vários componentes, tanto no estágio primário, quando no secundário. Estas peças melhoram a qualidade da fonte, mas, se não existirem, não a impedem de funcionar. São componentes dedicados à filtragem contra interferências eletromagnéticas (IEM), além de incrementar a proteção ao usuário e ao próprio equipamento.

A placa tem espaço reservado para estas peças, que só são montadas pelos fabricantes quando obrigados por normas de desempenho. Como na Europa, que tem requisitos relativamente severos de compatibilidade eletromagnética (EMC – ElectroMagnetic Compatibility) para os equipamentos eletrônicos vendidos por lá.

Nos países emergentes, que não conseguem efetivamente controlar o comércio irregular, ou onde não há uma clara definição da obrigatoriedade, ocorrem estas “economias”, em que todos saimos perdendo – menos a indústria.

Além de não empregarem estes filtros IEM na quantidade necessária, os fabricantes projetam os circuitos para extrair o máximo de cada componente, de forma a otimizar os custos. São produtos baratos, mas frágeis, pois não costumam aguentar uma sobrecarga qualquer, já que as tolerâncias a falhas são muito pequenas. E são equipamentos geradores de ruídos eletromagnéticos.

Aliás, se tivéssemos que escolher entre duas fontes aparentemente idênticas, muito provavelmente a melhor seria a que tivesse mais componentes, e portanto seria mais pesada. É que os filtros e proteções sempre adicionam alguma massa ao equipamento, pois são relativamente grandes e utilizam bastante cobre e ferrite.

Figura 10 – Placa da fonte vista de cima, já consertada, onde se nota a falta de vários componentes para filtragem de interferências.

Figura 10 – Placa da fonte vista de cima, já consertada, onde se nota a falta de vários componentes para filtragem de interferências.

Figura 11 – Diagrama esquemático do que foi encontrado e o que deveria ter na fonte chaveada.

Figura 11 – Diagrama esquemático do que foi encontrado e o que deveria ter na fonte chaveada.

Figura 12 - Vista superior da placa da fonte, com destaque para o estágio primário (entrada de rede CA).

Figura 12 – Vista superior da placa da fonte, com destaque para o estágio primário (entrada de rede CA).

Figura 13 – Vista superior da placa da fonte, com destaque para o estágio secundário (saída da alimentação).

Figura 13 – Vista superior da placa da fonte, com destaque para o estágio secundário (saída da alimentação).

Na figura 11, divididos em 4 desenhos, são mostrados os componentes de filtragem contra IEM. Nos 2 desenhos de cima, estão os circuitos idealizados, que poderiam estar implementados na placa. Abaixo, os outros 2 desenhos indicam o que o fabricante montou. O circuito de filtragem do primário está no lado esquerdo e na direita, os componentes do estágio secundário (saída de alimentação).

Vemos que faltam, no lado primário (figura 12): R1, CX, LF1, ZVR, CY1 e CY2. O termistor (NTC) e o fusível (FUSE) foram montados em locais diferentes do projeto.

No secundário, estão ausentes L2 e C10 (fig. 13), e R20 está posicionado no lugar de C10.

Porque são necessários filtros eletromagnéticos

Toda fonte chaveada causa interferência eletromagnética. Isto é inerente a elas por causa, principalmente, do chaveamento da tensão de entrada e da retificação da saída. Estas interferências ficam concentradas especialmente na frequência de trabalho da fonte, que, conforme o projeto, vai desde o final da faixa audível até poucas centenas de KHz.

Mas as interferências estendem-se até alguns MHz, por causa das trocas de estado dos semicondutores, que entram em condução ou bloqueio em tempos muito curtos, na casa dos nanossegundos [18].

Estes sinais indesejados podem ser bastante atenuados com a utilização de componentes de filtragem. Filtros passivos, que são utilizados na maioria dos equipamentos, são compostos por capacitores e indutores, principalmente.

O indutor tende a bloquear as altas frequências que passam por ele, ao passo que o capacitor é transparente a elas. Como um tem o comportamento oposto do outro, a associação deles forma filtros com boa eficácia.

Colocando-se uma bobina em série e um capacitor em paralelo com a entrada da rede elétrica, por exemplo, temos um filtro LC para atenuar as altas frequências vindas da rede elétrica para a fonte, bem como as geradas na fonte, em direção à rede elétrica.

Obviamente, um bom filtro é mais complexo do que um simples circuito LC. Não pretendo aprofundar a abordagem dos filtros contra IEM, isto será tratado separadamente em futuro post, pois o assunto é extenso.

Mas eles deveriam estar presentes em qualquer equipamento com fonte chaveada. Inclusive nos modelos de baixo consumo, pois cada produto contribui com sua pequena parcela para o total de poluição eletromagnética ou Electrosmog – ver referência 19].

Para quem quiser um bom material de consulta sobre filtragem eletromagnética, é interessante ver o material disponibilizado pelos professores já citados, José Antenor Pomilio [1] e Armando W. Cavero Miranda [4].

Colocação das peças faltantes

Voltando à nossa fonte, os componentes que faltavam foram montados com peças retiradas de uma sucata de outra fonte de notebook, de potência semelhante e alta qualidade, e estavam bem preservados. Todos foram testados antes da montagem.

Apesar da intenção de reduzir as interferências, nem sempre a utilização de componentes de outras fontes dará totalmente certo. Ocorrerá alguma diminuição dos sinais interferentes, mas se os filtros fossem calculados, seria possível aumentar sua eficácia.

A razão é que, se o equipamento sucateado do qual foram retiradas as peças, utilizava uma frequência maior do que a frequência de chaveamento da fonte sob conserto, os seus filtros tinham como foco suprimir frequências além da frequência atual de trabalho. A troca, pura e simples, reduz a capacidade de supressão de interferências, mas é melhor que nada. Vejamos a lista dos itens colocados na fonte.

No primário:

  • CY1 e CY2 – 2nF/2kV – capacitores tipo Y, que escoam para o aterramento surtos de tensão;

  • CX – 100nF/275VCA – capacitor tipo X2, que é montado em paralelo com a entrada de CA, e bloqueia a passagem de RF;

  • R1 – resistor 330K ohm. Utilzado para descarregar CX;

  • ZVR – varistor 275VCA – limitador de tensão. Apresenta-se como um circuito aberto até a tensão de trabalho. Acima desta tensão – que caracteriza uma sobrecarga – transforma-se em um curto-circuito, causando a queima do fusível (e do próprio varistor);

  • LF1 – bobina com dois enrolamentos independentes, cada um ligado em oposição, em série com a entrada da rede elétrica. É um filtro de espúrios de CA (LF1), que deixa passar livremente a tensão CA (de baixa frequência) e atenua as frequências altas.

No secundário:

  • capacitor C10, que deveria ser igual a C9 (1000uF/35V, classe 105°C), mas por falta de espaço foi colocado um de 220uF/35V;

  • bobina L2, que forma um eficiente filtro П (Pi, a letra grega) com C9 e C10, muito eficiente na remoção de sinais espúrios. Esta bobina também é chamada de “choque de RF”. A palavra original é inglesa (choke) e significa abafar, silenciar, sufocar, obstruir.

O termistor (NTC) e o fusível (FUSE), foram realocados para os lugares corretos. Observar, na figura 14, que o resistor R1 fica embaixo de CX. A figura 15 mostra o estágio primário com todos os componentes de filtragem eletromagnética.

O resistor R1 é imprescindível, pois descarrega CX após retirar-se o plugue da tomada. O valor foi definido para que, com menos de um segundo depois do desligamento, a tensão sobre o capacitor fique muito baixa, evitando choques elétricos no plugue de entrada.

No secundário, pode-se comparar as figuras 13 e 16, que mostram o antes e o depois da colocação das peças.

Figura 14 – Colocação das proteções – ver R1, que irá ficar embaixo de C1.

Figura 14 – Colocação das proteções – ver R1, que irá ficar embaixo de CX.

Figura 15 – Estágio primário com proteções colocadas.

Figura 15 – Estágio primário com proteções colocadas.

Figura 16 – Estágio secundário, após a inserção da bobina e do capacitor.

Figura 16 – Estágio secundário, após a inserção da bobina e do capacitor.

Infelizmente, não foi possível fazer uma bateria de testes, que mostrassem o que e quanto a fonte melhorou após estas modificações. Numa próxima oportunidade, pretendo fazer um teste completo de uma fonte de PC e poderei demonstrar o “antes” e o “depois”.

O funcionamento do secundário da fonte

Uma coisa que chamou a atenção para esta fonte foi a possibilidade de variar sua tensão de saída, de maneira simples, numa arquitetura de fonte chaveada. Inclusive, foi o motivo para escrever este artigo, pois é um circuito com muitas utilidades.

Na figura 17 aparece o secundário desta fonte. O primário foi mostrado mais acima (figura 6). Agora, interessa saber o funcionamento deste estágio.

Figura 17 – Esquema do secundário de fonte chaveada multitensões.

Figura 17 – Esquema do secundário de fonte chaveada multitensões.

Se a tensão de saída diminui por causa da carga, esta informação deve chegar ao estágio de chaveamento, pois o consumo aumentou e há necessidade de mudar o ciclo de trabalho (alargar os pulsos de chaveamento). Se a carga diminui, aumentando a tensão de saída, vale o inverso.

Este método é mais eficiente quando a monitoração da tensão é feita mais próxima da carga (ponto de saída da alimentação). A informação é, então, retornada ao estágio primário. O circuito responsável por isso exerce a função de realimentação (ou feedback).

É interessante lembrar que, em princípio, toda fonte chaveada tem estabilização. Aliás, toda fonte chaveada que tem alguma espécie de realimentação. O circuito de realimentação equilibra o comportamento da fonte em torno de uma corrente ou tensão de saída pré-determinada.

Figura 18 – Simbologia, diagrama de blocos e encapsulamentos do TL431. Fonte: On Semiconductor [21].

Figura 18 – Simbologia, diagrama de blocos e encapsulamentos do TL431. Fonte: On Semiconductor [21].

Figura 19 – Circuito comparador de tensão, com compensação de temperatura. Fonte: On Semiconductor [21].

Figura 19 – Circuito comparador de tensão, com compensação de temperatura. Fonte: On Semiconductor [21].

Nesta fonte que consertamos, a realimentação é produzida pelo TL431, denominado Referência Programável de Precisão, conforme a Texas Instruments [20]. Este componente, quando sob encapsulamento TO-92, parece um transistor, pois tem somente 3 terminais (figura 18). Ele tornou-se comum em fontes de alimentação, já que fornece uma referência precisa para o controle da tensão de saída.

Nas notas de aplicação – referências [21], [22] e [23] – também são encontrados outros usos do componente, como fonte de corrente de precisão ou até amplificador! A figura 19 mostra a configuração básica como comparador de tensão, a mesma utilizada na fonte.

No esquema da figura 17, percebemos que o TL431 (U3) recebe no pino 1 (referência) a tensão de saída da fonte, através do divisor de tensão formado por R19 e R21. Esta tensão é transformada, proporcionalmente, em corrente através dos pinos 3 e 2 (shunt). Conforme o datasheet [20], o TL431 pode drenar entre 1 e 100 mA no pino 3. O pino 2 é o ponto comum, ou linha de 0V. Trocando em miúdos, o pino 3 do TL431 modula, conforme a tensão de referência presente no seu pino 1, a corrente do LED do optoacoplador U2.

Por sua vez, U2 isola galvanicamente o primário do secundário, mas mantém comunicação ótica entre os estágios. O brilho do LED interno, ligado ao secundário, modula a condução do transistor do optoacoplador, ligado ao estágio primário. Lá, U1 (UC3843) interpreta esta informação e modifica o comportamento de sua saída (pino 6), ligada diretamente ao transistor MOSFET de chaveamento. Mas isso é outra história. Para quem quiser aprofundar-se no conhecimento do UC3843, consultar as referências [24], [25] e [26].

Como mudar a tensão do secundário

A polarização feita pelo divisor de tensão de R19 e R21, junto ao pino 1 do TL431, é alterada através de uma chave seletora de 7 posições que, conforme a tensão escolhida, coloca um resistor em paralelo com R21. O valor resultante da associação faz o TL431 mudar a referência da alimentação para o primário e, consequentemente, a tensão da saída. A posição de 12V não utiliza resistor na chave seletora.

Foi montada uma tabela comparativa entre as tensões de saída e os resistores associados.

Seguindo da esquerda para a direita, as colunas indicam a tensão nominal, a tensão medida na saída e o valor da associação que se apresenta sobre R21.

Tabela 1 – Tensão de saída estimada e real, com referência ao valor final de R21.

Tensão nominal Tensão real (V) Valor em R21
12 V 12,5 3k0
15 V 15,6 2k24
16 V 16,6 2k07
18 V 18,6 1k82
19 V 19,8 1k68
20 V 20,5 1k8
24 V 24,4 1k33

A chave seletora, além de modificar o divisor de tensão de U3, também indica visualmente sua posição, através da energização do LED correspondente à tensão escolhida. Assim, o invólucro da fonte tem 7 LEDs indicadores em linha, como se nota na figura 20.

Figura 20 - Detalhe da tampa da fonte, com os LEDs indicadores da tensão de saída.

Figura 20 – Detalhe da tampa da fonte, com os LEDs indicadores da tensão de saída.

Notas finais

Para quem quiser observar melhor o esquema da fonte chaveada, aqui encontrará o arquivo em PDF completo, com 3 páginas: FonteChaveada-12-24V-CompletaCorr

Um detalhe, que foi observado nesta fonte, foram os grânulos de oxidação espalhados por toda a superfície da placa. Nada indica que os pontos de óxido tenham vindo do meio externo. O mais provável é que a parte metálica da chave seletora oxidou – pois é a única peça que fica próxima a uma abertura externa – e a sujeira tenha se espalhado internamente. O equipamento era utilizado em área litorânea.

Mais uma vez, a qualidade dos componentes fica evidente quando expostos a condições mais rudes. É uma característica que não se percebe ao comprar o produto, só podemos confiar na reputação da loja.

Referências

[1] UNICAMP – Prof. José Antenor Pomilio – página principal – http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/

[2] José Antenor Pomilio – Apostila da disciplina Fontes Chaveadas – http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/fontchav.html

[3] José Antenor Pomilio – Apostila da disciplina Eletrônica de Potência – Pós-graduação – http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/elpot.html

[4] Armando W. Cavero Miranda – Professor UFSC – Material sobre eletrônica de potência – http://www.caveromiranda.galeon.com/index1.html

[5] Faíscas – Panorama da evolução das fontes de alimentação – http://www.faiscas.net/Fontes%20chaveadas.pdf

[6] All Datasheet – Ponte retificadora BY164 – http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/91332/DIOTEC/BY164.html

[7] Datasheet Catalog – Ponte retificadora KBP206G – http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/K/B/P/2/KBP206G.shtml

[8] Semipower – Folha de dados do transistor Samwin SW7N60 – versão 3.0 – http://www.semipower.com.cn/uploadfile/cp/mos/SW7N60.pdf

[9] Dianyuan – Folha de dados do transistor Samwin SW7N60 – versão 0.2 – http://bbs.dianyuan.com/bbs/u/40/1144400229.pdf

[10] Toshiba Semiconductors – Folha de dados do transistor 2SK3569 – http://www.semicon.toshiba.co.jp/eng/product/transistor/mosfet_detail/1317305_13587.html

[11] Elektroda – Diagramas esquemáticos de diversas fontes de computador, com informações sobre componentes para reutilização e manutenção – http://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=9834734#9834734

[12] Fairchild – Folha de dados do controlador SMPS KA3843 – http://www.fairchildsemi.com/ds/KA/KA3843B.pdf

[13] Texas – Folha de dados do controlador SMPS UC3843 – http://www.ti.com/lit/ds/symlink/uc3843.pdf

[14] CYT – Folha de dados do controlador SMPS UC3843 – http://www.szcyt.com/uploadfiles/file/ic/UC3843/UC3843.pdf

[15] Texas – Documentos técnicos com o UC3843 – http://www.ti.com/product/uc3843#technicaldocuments

[16] Blog pwm – Circuitos com UC3843 – http://pwm.blogcu.com/uc3843-pwm/3504395

[17] Elektroda – PC817 Sharp – ftp://ftp.elektroda.net/pub/Karty%20katalogowe/pc817xx.pdf

[18] TDK Epcos – EMI Application notes - http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/ProductCatalog/Inductors/EMCComponents/Filters/Page,locale=en.html

[19] Electrosmog – Sítio francês dedicado à poluição eletromagnética - http://www.electrosmog.info/

[20] Texas Instruments – TL431 – Folha de dados – http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl431.pdf

[21] On Semiconductor – TL431 – Folha de dados com notas de aplicação – http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TL431-D.PDF

[22] Diodes – TL431 – Folha de dados e notas de aplicação – http://www.diodes.com/datasheets/TL431_432.pdf

[23] Texas Instruments – TL431 – Documentos e notas de aplicação – http://www.ti.com/product/tl431#doctype1

[24] SV1BSX – Conversor 12V para 24V com UC3843 -http://sv1bsx.50webs.com/dc2dc/dc2dc.html

[25] Webpages – SMPS controllers – http://webpages.charter.net/dawill/tmoranwms/Elec_SMPS2.html

[26] Tech Blog – Placa SMPS 80W com UC3843 e placa de circuito impresso – http://technoblogin.blogspot.com.br/2009/02/switching-power-supply.html

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  1. 21 de junho de 2014 às 18:35

    Olá
    Parabéns pelo tutorial, fantástico!
    Tenho uma fonte-adaptador de uma antiga secretária eletrônica com OUTPUT: DC 2V – 500mA
    Será que posso usar a fonte numa Mini TV antiga 5″ Preto e Branco, tipo esta da foto:

    Desde já agradeço muito pela atenção :)

    • 21 de junho de 2014 às 18:54

      correção OUTPUT: DC 12V – 500mA :)

      • 22 de junho de 2014 às 21:25

        Maria, que eu me lembre estas tevezinhas necessitam de um transformador de 1,5A, e a que você tem é apenas um terço disto. Não pode ser empregada para alimentar a TV, só se você ligar apenas o rádio.

        Também tem que cuidar a polaridade, muitos plugues tem os pólos invertidos, não há padrão. Tem um símbolo, com uma bolinha dentro e um semicírculo por fora, cada um ligado a um pólo específico (+ ou -). As inscrições da fonte e do aparelho devem ser iguais.

  2. Márcio
    18 de março de 2014 às 19:53

    Eu tenho uma da mesma marca mais a placa é um pouco deferente o modelo é Model: jt-120, Power é quase igual muda um pouco em comparação a esta você pode me manda o esquema obrigado

    • 19 de março de 2014 às 18:35

      Márcio, não tem como enviar qualquer esquema, pois o que está no artigo foi extraído por mim, olhando a placa e depois desenhando no computador. Você terá que fazer o mesmo, não conheço nenhum lugar onde existam estes esquemas.

  3. Jeffeson
    22 de novembro de 2013 às 11:33

    Amigo, Parabéns pela postagem, o texto é bastante esclarecedor.
    Estou com um probleminha aqui, trata-se de um ruído. Funcionei um modulo de som com uma fonte chaveada que tenho ( http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-522545645-fonte-chaveada-estabil12v-30a-bivolt-pcmera-cftv-fita-led-_JM ), ela o alimenta muito bem, porém o sistema está com um ruido que só diminui (90%) quando conecto a fonte numa tomada aterrada.
    Percebi também (na tomada sem aterramento) que quando encosto o dedo na entrada RCA do módulo, a frequencia mais grave do ruido aumenta e no momento em que com a outra mão eu encosto a carcaça da fonte, o ruido desaparece completamente.
    Ao conectar o cabo RCA na entrada do modulo, parece que o mesmo funciona como uma “antena” e amplifica ainda mais o ruido. Já utilizei um filtro supressor de ruido no RCA, mas não adiantou muita coisa.
    Apesar deste inconveniente, dá para escutar musica (num volume um pouco mais alto) tranquilamente, o problema maior é quando tento conectar algum microfone ou instrumento na mesa de som, o ruido aumenta muito (lembrando que quando utilizo tomada aterrada o resultado é bem melhor).
    Logo, se possível, preciso saber se você pode me orientar em algo que posso fazer para resolver isso (alguma espécie de filtro ou coisa parecida), já que a ideia é ter um som portátil e como faço parte de uma banda pop rock, as vezes o utilizamos para ensaio e infelizmente quase nunca encontramos tomadas aterradas onde vamos.
    Desde já agradeço sua atenção.
    Jeffeson

    • 22 de novembro de 2013 às 15:26

      Jeffeson, teu problema é com o aterramento. Toda fonte chaveada de potência deve ser aterrada, pois há um capacitor entre o lado vivo, conectado à rede elétrica e o ponto de zero Volt da fonte. Você poderá levar um choque muito sério se não aterrar o sistema.

      Você deve montar todo o circuito em uma caixa metálica, com a fonte chaveada em outra caixa metálica interna, de preferência. Somente assim poderá resolver o problema de ruídos.

      Sua questão é mais de áudio, não tanto de fonte chaveada.

      • jeffeson
        22 de novembro de 2013 às 16:53

        Valeu pela dica!

        Abraço!

  4. 8 de outubro de 2013 às 21:06

    Muito bom! Parabéns pelo artigo.

  1. 15 de janeiro de 2014 às 17:44

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