Curso Avançado de Manutenção e Reparo em Impressoras e Copiadoras (Inicio em 08/08/2011)

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1 1 de 17 10/8/ :05 Curso Avançado de Manutenção e Reparo em Impressoras e Copiadoras (Inicio em 08/08/2011) Cursos EAD CAMRIC Recursos Módulo 3 - Conserto, manutenção e testes em fontes chaveadas Seguir para... Conhecendo a fonte chaveada ou comutada As fontes chaveadas, comutadas ou SMPS (SwitchedMode Power Supply) do inglês são fontes que controlam a tensão numa carga, abrindo e fechando um circuito comutador de modo a manter pelo tempo de abertura e fechamento deste circuito, a tensão desejada. Para entender como isso é possível, partimos do diagrama de blocos da figura 01.

2 2 de 17 10/8/ :05 Nele, temos um transistor que funciona como uma chave controlando a tensão aplicada no circuito de carga. Este circuito é ligado a um oscilador que gera um sinal retangular, mas cuja largura do pulso pode ser controlada por um circuito sensor. Se o tempo de condução do transistor for igual ao tempo em que ele permanece desligado, ou seja, se ele operar com um ciclo ativo de 50%, na média a tensão aplicada na carga será de 50% da tensão dos pulsos conforme se observa na figura 02.

3 3 de 17 10/8/ :05 Se a tensão na carga cair, por um aumento de consumo, por exemplo, isso será percebido pelo circuito sensor que, atuando sobre o oscilador, fará com que seu ciclo ativo aumente. Nestas condições, a tensão aplicada aumenta para compensar a queda. Podemos, portanto, controlar a tensão sobre a carga variando a largura do pulso que comanda o transistor comutador. Este processo de controle é denominado PWM (PulseWidthModulation) ou Modulação por Largura de Pulso, e tem várias vantagens quando o usamos numa fonte deste tipo. A mais importante é que o transistor que controla a corrente na carga funciona como uma chave e, portanto, ou está desligado (corrente nula) ou está ligado (corrente máxima). Ocorre que, quando o transistor está desligado, coma corrente sendo nula, não há dissipação de calor; e quando ele está ligado, sua resistência é mínima, quase zero, e da Mesma forma, não há dissipação de calor. Se o transistor fosse um comutador ideal apresentando resistência nula quando ligado, e infinita quando aberto, e ainda comutasse instantaneamente, a dissipação de calor nele seria nula, ou seja, não haveria nenhuma perda de energia ou geração de calor na fonte. Todavia, isso não acontece na prática: além de não ter uma resistência nula ao conduzir, o transistor demora certo tempo para comutar com um comportamento que é dado pela forma de onda da figura 03.

4 4 de 17 10/8/ :05 Temos, então, que durante o tempo em que a corrente demora a ir de zero até o máximo e vice-versa, o transistor passa por um estado intermediário em que energia é transformada em calor. Isso significa que mesmo as fontes comutadas geram calor, mas ele é muitas vezes menor que aquele das fontes lineares comuns. Nos equipamentos de consumo como televisores, monitores de vídeo, etc., as fontes comutadas podem usar tanto transistores bipolares de potência como Power FETs e até mesmo SCRs. Estas fontes se caracterizam pelo seu alto rendimento, não necessitando de grandes dissipadores de calor e podendo fornecer toda energia que o circuito de um monitor precisa para o funcionamento normal. Para que o leitor entenda seu principio de funcionamento, vamos analisar um circuito prático, inicialmente dado em blocos na figura 04.

5 5 de 17 10/8/ :05 Esses blocos correspondem a uma fonte comum, com os mínimos elementos. Fontes mais sofisticadas com blocos adicionais podem ser encontradas na prática. O bloco de entrada ligado à rede de energia possui um retificador e um filtro contra EMI. O filtro é normalmente formado por um par de bobinas e capacitores numa configuração típica como exibida na figura 05.

6 6 de 17 10/8/ :05 O filtro é importante porque uma fonte chaveada ou comutada, como também é chamada, produz variações de corrente muito grandes quando em funcionamento. O chaveamento corresponde praticamente a uma carga que drena um sinal quadrado (da rede de energia), gerando, assim uma enorme quantidade de harmônicas que podem causar interferências em aparelhos próximos. Essas interferências, que consistem em componentes de frequências que vão desde a própria frequência da rede até vários megahertz, devem ser evitadas. As bobinas, na configuração indicada, e mais os capacitores funcionam como um filtro passa-baixas que só deixa passar a frequência da rede, bloqueando tudo que estiver acima, em qualquer sentido. Na maioria das fontes, a retificação é feita por diodos comuns de silício que podem estar ou não ligados em ponte, em configurações típicas como a mostrada na figura 06. Mesmo as fontes que devem fornecer baixas tensões de saída, como as usadas em computadores, impressoras, monitores, etc., não utilizam transformadores, retificando diretamente os 110 V ou 220 V da rede de energia. Esse é um ponto importante a ser considerado, pois este setor dessas fontes apresenta perigo potencial de choque se for tocado. Os fusíveis de proteção são colocados nesta etapa.

7 7 de 17 10/8/ :05 Temos, a seguir, o bloco oscilador que produz o chaveamento da fonte, sendo formado normalmente por circuitos integrados especificamente projetados para esta função. Esse bloco é alimentado diretamente a partir da tensão retificada e filtrada do bloco anterior, geralmente passando por um circuito redutor formado por resistores, um diodo zener e capacitor de filtro. Na figura 07 temos uma configuração típica de circuito usado com esta finalidade. Observe que, como o ciclo ativo do sinal que esse circuito produz deve variar em função da tensão de saída, mantendo-a constante, existe uma entrada para sensoriamento, cujo funcionamento será visto mais adiante. O sinal obtido neste circuito oscilador serve para chavear uma etapa de potência que funciona usualmente com transistores de alta potência, tanto bipolares como de efeito de campo, veja exemplo na figura 08.

8 8 de 17 10/8/ :05 Os transistores possuem como carga o enrolamento primário de um transformador com núcleo de ferrite. Como este circuito de chaveamento funciona diretamente com a tensão retificada e filtrada da rede de energia, são usados transistores de alta potência capazes de manusear altas correntes sob tensões que podem ultrapassar os 400V de pico. O transistor chaveador é o componente mais crítico dessas fontes, pois, trabalhando em condições limites, facilmente se queima. Existem variações para esta configuração tais como fontes encontradas em monitores de vídeo e televisores que, em lugar do circuito oscilador com um Cl e um transistor de potência, empregam unicamente um SCR como oscilador de relaxação. Esse SCR, ligado numa configuração conforme ilustra a figura 09, chaveia a tensão contínua de um capacitor que se carrega, com uma velocidade que pode ser alterada por um sinal de sensoriamento. Assim, controlando-se o ponto de chaveamento, pode-se regular a tensão de saída da fonte.

9 9 de 17 10/8/ :05 O bloco seguinte da nossa fonte é o circuito secundário do transformador com núcleo de ferrite. Esse transformador pode ter um ou mais secundários, conforme o número de tensões necessárias à alimentação do aparelho. Normalmente, os secundários podem ser elaborados com fios muito grossos, fornecendo correntes de dezenas de ampères, como no caso das fontes de computadores. Na figura 10 temos uma configuração típica para os secundários de uma fonte chaveada de duas tensões.

10 10 de 17 10/8/ :05 Nesses secundários, geralmente a retificação é simples e com uma excelente filtragem garantida por um capacitor eletrolítico de valor muito elevado. Reguladores de tensão comuns, como os de 3 terminais, raramente são usados neste ponto, pois a regulagem da tensão é feita a partir do chaveamento do próprio transistor no primário do transformador. Essa regulagem é feita por um bloco sensor que pode ter as mais diversas configurações. O modo mais simples de fazer a regulagem consiste em se derivar essa tensão para o circuito oscilador diretamente, usando para essa finalidade um transistor, observe a figura 11.

11 11 de 17 10/8/ :05 As variações da tensão de saída são sentidas pelo Cl que as corrige, mudando o ciclo ativo do sinal gerado. No entanto, há casos em que o isolamento da saída deve ser total, onde não deve haver uma conexão entre o circuito sensor dessa saída e o oscilador, diretamente ligado à rede de energia. Para essa finalidade, a solução mais adotada é a que faz uso de um acoplador óptico, conforme mostra a figura 12.

12 12 de 17 10/8/ :05 O brilho do LED emissor do acoplador depende da tensão de saída, e esse brilho é sensoriado pelo fototransistor do acoplador. Variações desse brilho, e, portanto da tensão de saída, alteram a condução do transistor-sensor, modificando assim o ciclo ativo do circuito integrado oscilador. Há variações em torno desta configuração, mas como regra geral, os blocos funcionais são os mesmos. Conserto, manutenção e testes em fontes chaveadas

13 13 de 17 10/8/ :05 Conserto As fontes chaveadas são muito diferentes das fontes lineares, uma das diferenças está no fato de que as fontes chaveadas não podem ser diagnosticadas pela simples medida de tensões. Nas fontes chaveadas são encontrados sinais de diversas freqüências que não podem ser detectadas por um multímetro comum, é possível sim testar os componentes com o multímetro, mas isso não dá segurança no diagnóstico a ponto de levar com facilidade à origem de algum problema. É complicado para o técnico analisar seus circuitos, pois nem sempre é possível obter um circuito detalhado para análise e experiências. O que existe de bom no trabalho de reparo de fontes chaveadas é que a maioria dos defeitos estão concentrados em poucos componentes ou em poucos setores, isso facilita o diagnóstico e a conseqüente reparação. Em todos os equipamentos eletrônicos existem componentes e setores do circuito que pelo tipo de operação existem maiores possibilidades de acontecerem falhas e com isso aparecerem defeitos, o trabalho forçado e dissipação de potência no limite, entre tantas outras possibilidades são os responsáveis pela maioria dos problemas. Os principais defeitos das fontes chaveadas e as possíveis causas são:

14 14 de 17 10/8/ :05 Fonte inoperante com o fusível queimado: Transistor de chaveamento em curto, outros semicondutores em curto. Fusistores abertos. Em muitos casos, transientes, picos de tensão e mesmo capacitores eletrolíticos com perdas de capacitância podem causar a queima de semicondutores, e com isso levar a fonte à inoperância. Fonte inoperante com fusível bom: Nesse caso, deve-se verificar o circuito de partida que pode estar com componentes abertos ou com os fusistores abertos. Isso acontece se semicondutores, como o transistor de chaveamento entrar em curto. O fusistor queima (abre) sem que haja tempo do fusível queimar (abrir) também. Saídas com tensões alteradas ou com ripple em excesso: Se o ripple constatado for na freqüência da rede de energia, ou em um múltiplo da freqüência da rede, por exemplo 120 Hz, podemos suspeitar de capacitores de filtro abertos, ou com a capacitância reduzida no setor de entrada (AC) da fonte. Saídas com tensões alteradas, mas com ripple na freqüência de comutação da fonte entre 10 khz e 500 khz: Os suspeitos são os capacitores de filtro que podem estar com fugas, abertos ou alterados no setor da fonte logo depois do transformador. Barulho contínuo e baixa tensão numa das saídas: Isso pode acontecer se componentes desse setor estiverem em curto, como capacitores eletrolíticos, diodos retificadores e semicondutores usados na regulagem. Às vezes liga e às vezes não liga: A fonte liga e desliga de modo intermitente com os LEDs indicadores piscando e a tensão na saída oscilando

15 15 de 17 10/8/ :05 fortemente. Podemos suspeitar de componentes semicondutores em curto, ou ainda de problemas no circuito de sensoriamento, nesse caso o próprio controlador pode estar com defeito, devendo então, ser analisado. É importante observar que como em qualquer equipamento eletrônico, uma boa parte dos problemas é causada pelos capacitores eletrolíticos. O que é interessante para esse tipo de defeito é que é possível detectar sem esforço um capacitor com problemas pela simples inspeção visual. Capacitores inchados, estourados ou com sinais de vazamento podem ser detectados facilmente, simplesmente com uma inspecionada visual. É bom lembrar um capacitor com problemas normalmente pode causar a queima de outros componentes como diodos e transistores. Claro que dependendo do problema, como um simples transistor, um resistor ou um capacitor que custe baratinho e que pode ser detectado facilmente, o conserto de uma fonte chaveado é vantajoso, principalmente se não tivermos as condições de fazer a troca por uma fonte nova. Manutenção Preventiva e Corretiva em fontes chaveadas Verifique a condição da placa, componentes e cabos. Limpe os componentes para diminuir a possibilidade de superaquecimento. Repare ou substitua componentes que demonstram sinais de desgaste ou oxidação.

16 16 de 17 10/8/ :05 Procedimento de manutenção: 1. Remoção da poeira com pincel e (ou) jatos de ar comprimido. 2. Lavar a placa com álcool isopropílico. 3. Secar a placa com ar comprimido ou secador de cabelo 4. Revisar e se for o caso ressoldar todos os pontos suspeitos. 5. Verificação dos cabos de ligação para ver se não há nenhum solto ou danificado. 6. Testar as tensões de saída, verificando se as mesmas estão em condições normais, ou seja, com o seu valor correto de funcionamento. Benefícios Além de prolongar a vida útil dos componentes e da placa no geral, estes simples procedimentos podem evitar problemas mais graves, como a queima da fonte e (ou) placa principal do equipamento. Testes Antes de qualquer análise mais profunda em uma fonte chaveada, é necessário efetuar alguns testes básicos para verificar o seu funcionamento:

17 17 de 17 10/8/ :05 1. Teste todas as tensões de saída, tanto as baixas quanto as altas, assim poderá verificar a existência de problemas no bloco primário ou secundário. Lembre-se que a maioria das fontes possui uma, duas ou várias tensões de saída, mas normalmente possuem apenas um ou dois pontos de aterramento, por isto, basta utilizá-los como negativo comum para testar todas as outras tensões positivas. 2. Verifique e teste o fusível e o fusistor, pois em 40% dos casos apenas eles é quem estão danificados. 3. Teste a tensão de entrada (corrente alternada), diretamente em cima da entrada da ponte de diodos, devendo obrigatoriamente ser a mesma da rede (110 ou 220 V), comprovando que o circuito de proteção (fusível e fusistor) está funcional. 4. Teste a tensão diretamente em cima do capacitor eletrolítico do bloco primário, devendo a medida estar de 20 a 40% maior que a da rede, demonstrando que o capacitor está atuando corretamente. Última atualização: terça, 9 agosto 2011, 23:06 Printer Service Brasil - Cursos EAD Copyright Printer Service Brasil. Todos os direitos reservados. Fone: contato@printerservice.com.br Documentação de Moodle relativa a esta página CAMRIC