A fonte de alimentação
As fontes de alimentação dos monitores de vídeo são semelhantes às encontradas em televisores, computadores e muitos outros equipamentos modernos. Neste artigo o leitor aprenderá detalhadamente como elas funcionam e inclusive como fazer o diagnóstico dos problemas que normalmente ocorrem com seus circuitos. Também veremos algumas configurações mais comuns em monitores atualmente em funcionamento, e como proceder nos seus casos específicos.
Nota: este artigo faz parte de uma série iniciada em SER507. Ele trata de monitores antigos do tipo que usam TRC (cinescópios). Vela como referência para quem deseja recuperar um monitor antigo.
FONTES LINEARES
Os aparelhos mais antigos como televisores e outros utilizavam fontes do tipo linear. Nestas fontes, cujo circuito básico é mostrado na figura 1, temos uma etapa retificadora, outra de filtragem e um circuito regulador linear que se comporta como um resistor variável ou reostato. Neste circuito, o transistor Q1 controla a corrente na saída.
De acordo com as variações da tensão de saída, um circuito sensor "diz" ao regulador como sua resistência deve mudar, aumentando ou diminuindo, de modo a agir sobre o circuito de carga compensando as variações de tensão, desta forma, a tensão no circuito de carga pode ser mantida com boa precisão.
Embora este tipo de circuito funcione bem e ainda seja usado em muitas aplicações práticas, ele possui alguns "defeitos" importantes. Um deles é que a tensão do circuito é dividida entre o elemento regulador, normalmente um transistor de potência, e a carga. Isso significa que o transistor regulador estará sendo percorrido sempre por uma corrente intensa e submetido a uma tensão que varia, dissipando assim muita potência na forma de calor.
O rendimento deste tipo de regulador é, portanto, baixo, com perdas que podem se tornar grandes em circuitos que exigem altas correntes. O segundo problema está no próprio custo do circuito, que exige a utilização de transistores de potência com altas capacidades de dissipação e ainda empregando grandes dissipadores de calor. O uso de grandes dissipadores de calor traz ainda um outro problema adicional: o circuito deve ocupar muito espaço e ser bem ventilado. Para superar estes problemas, os equipamentos de consumo que exigem potências elevadas passaram a utilizar um outro tipo de fonte de alimentação que se mostra multe, mais eficiente.
FONTES CHAVEADAS OU COMUTADAS
As fontes chaveadas, comutadas ou do inglês SMPS (Switched Mode Power Supply), 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 2.
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 ilustra a figura 3.
Se a tensão na carga cair, por uni aumento de consumo, por exemplo, isso é percebido pelo circuito sensor que, atuando sobre o oscilador, faz com que seu ciclo ativo aumente. Nestas condições, a tensão aplicada aumenta para compensar a queda. Podemos assim, controlar a tensão na carga variando a largura do pulso que comanda o transistor comutador.
Este processo de controle é denominado PWM (Pulse Width Modulation) ou Modulação Por Largura de Pulso e tem várias vantagens quando é usado 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, com a 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.
Entretanto, isso não acontece na prática: além de não ter uma resistência nula ao conduzir, o transistor demora um certo tempo para comutar, com um comportamento que é dado pela forma de onda da figura 4.
Temos então que, durante o tempo em que a corrente demora para ir de zero até o máximo e vice-versa, o transistor passa por um estado "intermediário" em que energia é transformada em calor. Isso quer dizer que, mesmo as fontes comutadas geram calor, mas ele é muitas vezes menor do que nas fontes comuns lineares.
Nos monitores de vídeo, as fontes comutadas podem usar transistores bipolares de potência, 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 os circuitos de um monitor precisam para o funcionamento normal.
CIRCUITO DE UMA FONTE DE MONITOR
Para que o leitor se familiarize melhor com uma fonte de monitor de vídeo, vamos analisar de forma completa o funcionamento de algumas encontradas em monitores comerciais. Começamos pela fonte do Samsung Syncmaster 3, que é dos mais populares em nosso país e que é mostrada na figura 5.
Uma característica importante deste tipo de fonte é que ela não faz uso de transformadores de força como as antigas fontes lineares. Estes transformadores, além de serem componentes pesados, são caros, aumentando de custo e peso em função da potência que devem ter. Na entrada temos uma série de componentes de proteção e filtragem que merecem ser analisados. Para a proteção temos o fusível (FH601), que deve abrir quando algum problema no circuito fizer a corrente se elevar para além dos limites admissíveis.
Em seguida, encontramos uma rede de indutores (LF601) e capacitores em série e paralelo (C602, C603) com a alimentação formando um conjunto de filtros passa-baixas.
A finalidade destes filtros é evitar que o ruído gerado pela fonte passe para a linha de alimentação, podendo afetar outros aparelhos. O que acontece é que a comutação de alta potência do transistor da fonte chaveada gera uma grande quantidade de ruídos que podem se propagar pela linha que alimenta o circuito. Os sinais de alta frequência produzidos pela fonte são desviados para a terra, enquanto que a tensão de alimentação de baixa frequência (60 Hz) passa normalmente pelo circuito.
O leitor pode comprovar facilmente a presença dos ruídos gerados pelos circuitos de um monitor aproximando dele um rádio AM sintonizado fora de estação. Conforme pode ser percebido, os ruídos chegam a alcançar frequências de muitos megahertz.
Neste setor temos a bobina de desmagnetização (D-COIL), que é acionada em série com um PTC (PTC601). O próximo bloco é o de retificação e filtragem.
A retificação é feita por uma ponte com quatro diodos (D601, a D604). Na saída desta ponte temos um grande capacitor eletrolítico de 2 200 µF/400 V (C604), o qual faz a filtragem da corrente retificada para a alimentação das etapas seguintes.
Ao falarmos em segurança destacamos este capacitor, que pode armazenar cargas perigosas, se bem que na maioria dos circuitos existe um resistor de valor conveniente ligado em paralelo, o qual garante que, depois de poucos minutos de desligado o monitor, o capacitor esteja totalmente descarregado. De qualquer forma é conveniente verificar sempre este capacitor, pois se o resistor abrir ou ainda dessoldar acidentalmente do circuito, a carga pode ser suficiente para dar um choque bastante perigoso.
A tensão com que se carrega este capacitor é a tensão de pico da rede de energia, o que pode atingir algo perto de 154V na rede de 110V e o dobro na rede de 220V. A seguir, temos um bloco de controle que tem por base um circuito integrado oscilador (IC601), cuja frequência ou largura de pulso pode ser controlada externamente.
Este circuito integrado é quem controla o funcionamento da fonte, determinando a largura do pulso gerado na saída e, portanto, a tensão de saída. A saída deste circuito integrado é ligada à comporta de um transistor de efeito de campo de potência SSH6N80 (Q602 de 6 A x 800V) que faz o chaveamento da corrente principal. Em alguns circuitos, em lugar do transistor de efeito de campo de potência, pode ser usado um SCR ou mesmo um transistor bipolar de alta potência. Em todos os casos, como esse componente controla a corrente principal do circuito alimentando o primário de um transformador com núcleo de ferrite (T601), a montagem dele é feita num radiador de calor.
Esta montagem em radiador de calor e a presença do capacitor de filtro que vem a seguir tornam fácil a identificação deste componente nas fontes de alimentação. Como o circuito opera numa frequência relativamente alta, entre 50 kHz e 200 kHz para as fontes comuns, pode-se usar um transformador bastante compacto para trabalhar com potências elevadas e reduzidas perdas.
De fato, este transformador é muitas vezes menor do que aquele necessário para manusear a mesma potência a partir da frequência da rede de energia usando o tipo convencional laminado ou mesmo o toroidal. Neste transformador encontramos diversos enrolamentos que proporcionam diversas tensões (16 V, 35 V, etc) e correntes necessárias às diversas etapas do circuito do monitor de vídeo.
Nos computadores encontramos este mesmo tipo de configuração, mas com a diferença de que temos no transformador apenas enrolamentos de baixa tensão (5 e 12 v) com alta corrente, e estes enrolamentos são totalmente isolados da rede de energia. Nos monitores de vídeo encontramos enrolamentos com tensões mais altas e variadas além de que não são isolados do circuito de entrada, o que faz justamente com que eles se mantenham "vivos", como já foi discutido nos problemas de segurança da lição anterior.
Observe que estes enrolamentos são aterrados da mesma forma que os componentes de controle do primário. Num dos enrolamentos do secundário deste transformador é que encontramos o circuito sensor que regula a tensão deste tipo de fonte. O tipo mais comum de circuito sensor para a regulagem da tensão é o que faz uso de um acoplador óptico (OP601), de acordo com o diagrama.
Neste circuito, a tensão de um dos enrolamentos secundários de T601 é retificada por D618 e filtrada por C626, alimentando um LED infravermelho que está embutido num acoplador óptico (OP601), excitando um foto transistor.
Desta forma, a condução do foto transistor vai depender do brilho do LED, o qual por sua vez, depende da tensão de saída da fonte. Se a tensão de saída se alterar, o LED muda sua intensidade de emissão e o foto transistor "sente" isso, modificando, então, seu estado de condução.
O foto transistor está justamente ligado na entrada de controle do oscilador (IC601) através de R601, modulando a largura dos pulsos que ele produz, e com isso compensando as variações da tensão de saída. Em alguns casos, como não é necessário haver isolamento entre o circuito de saída e o circuito sensor, um divisor de tensão formado por componentes comuns pode ser encontrado nesta função, aplicando um sinal de correção da tensão ao oscilador diretamente a partir de sua saída.
As tensões para alimentação das demais etapas do monitor são obtidas de diversos enrolamentos que possuem diodos retificadores (D619, D620, D621 e D622) com os respectivos capacitores de filtro (C626, C627, C629, C631 e C632). Os capacitores de menor valor, como o C630, ligados em paralelo com os eletrolíticos, desacoplam a componente de alta frequência da fonte chaveada, já que os eletrolíticos são indutivos e podem com isso representar problemas para os circuitos alimentados, quando mais críticos. O único ajuste desta fonte é justamente o da tensão de saída feito no trimpot VR601.
Outros componentes que merecem destaques nesta fonte são os diodos "damper" (amortecedores) D607 e D608, que evitam problemas de comutação de uma forte carga indutiva, tal como o enrolamento do transformador, e que poderiam ser perigosos para o transistor Q602.
Observe que Q602 já possui um diodo de proteção interno, mas nem sempre ele é suficiente.
Q603 juntamente com D613 formam a fonte que alimenta o circuito integrado oscilador, depois que ela entra em funcionamento. Uma segunda fonte que podemos analisar corno exemplo é a do monitor Tatung CM-1498V/1496V/1492V, que é mostrada na figura 6. Esta fonte utiliza o mesmo tipo de etapa de entrada com filtros (L801, L803, C801, C802, C803), fusível (F801) e ponte retificadora (D802). Na saída da ponte identificamos R804, que consiste num fusistor, como proteção adicional para a fonte.
Os capacitores de filtro são C804 e C805 que têm resistores (R806 e R807) em paralelo para evitar que se mantenham carregados quando o aparelho é desligado. Os dois capacitores em série são justificados pela necessidade de se comutar a tensão de entrada pela chave S802 que os conecta em duas configurações diferentes, conforme a entrada. Isso não ocorria no monitor do exemplo anterior, que operava com faixa de tensões única.
O chaveamento do transistor de potência Q804 (2SK538) é feito pelo circuito integrado UC-3842. A regulagem da tensão é feita pelo sinal do enrolamento do transformador ligado a D807/D809, tendo por ajuste o trimpot R815. Neste circuito, para esta finalidade não é usado acoplamento óptico. Os díodos amortecedores para esta fonte são D803 e D804.
Na saída da fonte lemos tensões de 90 V e 18 V que são usadas para os demais blocos do monitor L802 e L804 funcionam como filtros para estas tensões juntamente com os capacitores C817 e C81. Destacamos ainda neste circuito L991 que é a bobina desmagnetizadora alimentada pelo PTC R803 em série com o diodo D801.
Fault Timer:
Nos dois circuitos observamos a presença de SCRs (IC602 na figura 5 e Q802 na figura 6). Estes componentes são a base do que se denomina "fault timer circuit”.
Quando uma carga indutiva muito grande como, por exemplo, o enrolamento do transformador é comutada, podem ocorrer picos muito altos de corrente que fazem com que a fonte não sendo capaz de fornecer, manifeste uma queda de tensão acentuada. Esta queda de tensão pode levar o oscilador a um colapso com a inoperância da fonte.
Para evitar isso, quando o fault timer sente a queda de tensão devido a este problema, ele comuta e aplica uma tensão maior no oscilador de modo a manter o circuito em funcionamento pelo tempo que ele precisa para se recuperar. As fontes de alimentação dos monitores de vídeo podem estar montadas na própria placa principal em que ficam os demais circuitos, ou também em placas separadas.
REPARANDO CIRCUITOS DE FONTES
Os técnicos reparadores de monitores de vídeo não terão muitas dificuldades com os problemas que ocorrem com as fontes chaveadas desses equipamentos, o já que, como vimos, elas são bastante semelhantes às dos televisores comuns e mesmo dos próprios computadores. O que muda são as tensões. Até os componentes usados são os mesmos.
A análise de um problema em uma fonte começa com a verificação do fusível de proteção, lembrando que sua queima nem sempre indica que o defeito está na própria fonte. Se um dos circuitos alimentados, principalmente as etapas de potência da saída horizontal, tiver um problema de excesso de corrente, é o fusível da fonte que abre, normalmente, para proteger o circuito. Age também, como elemento de proteção o fusistor encontrado em alguns circuitos.
Assim, um dos procedimentos importantes para verificar se o problema é realmente da fonte ou do circuito horizontal (ou de outro), consiste em se desligar momentaneamente a linha de alimentação dos circuitos horizontais tirando algum componente que esteja em série com eles e verificar se ao recolocar o fusível, a fonte volta a funcionar apresentando saída normal de tensão. Lembramos aos leitores que um fusistor é um resistor colocado deliberadamente em série com um circuito e que tem uma montagem como a mostrada na figura 7.
Em caso de curto-circuito ou aumento excessivo da corrente, devido a alguma falha importante, o resistor se aquece o suficiente para que a solda de um dos seus terminais derreta. O resultado é que este terminal se solta e a sua montagem numa lâmina que funciona como uma mola faz com que ele desligue, abrindo o circuito.
Se, mesmo com o circuito externo não alimentado e o fusível recolocado, a fonte não funcionar ou ele voltar a queimar, é sinal que o problema é dela. Se o fusível queimar, o primeiro suspeito é o transistor de potência, que pode estar em curto. Um FET de potência em curto num circuito como o de uma fonte em que ele comuta o enrolamento de baixa resistência de um transformador representa um curto-circuito geral para a fonte. O técnico deve retirar o FET de potência do circuito e testá-lo.
Os FETs de potência não são críticos e o técnico pode contar com uma grande variedade de tipos para substituição. Desde que a resistência Rds do substituto seja igual ou menor que a do original, que a tensão entre dreno e fonte (Vds) seja igual ou maior que a do original e o mesmo sendo válido para a corrente, a troca pode ser feita.
Se o transistor estiver bom, deve-se procurar curtos em outros componentes da fonte como, por exemplo, algum diodo da ponte ou ainda o capacitar eletrolítico. Se o fusível não queimar ao ser colocado, mas também não houver tensão de saída, podemos agora suspeitar de que o setor oscilador não está funcionando.
Devemos verificar as alimentações desse setor e se na saída do circuito integrado existe o sinal de controle para o transistor. Finalmente, se o circuito estiver oscilando com um sinal de potência aplicado ao transformador e ainda assim o circuito não tiver tensão de saída, devemos analisar os componentes do setor depois do transformador.
Nestes casos, também não devemos esquecer as possibilidades de que:
- Não haja tensão de alimentação por que o cabo de entrada se encontra interrompido.
• Componentes do setor de filtro podem abrir, principalmente indutores que tenham terminais oxidados, interrompendo assim a circulação da corrente.
• Capacitores de desacoplamento, filtro e outras funções podem entrar em curto por diversos motivos, levando á abertura do fusível,
• O próprio transformador pode apresentar problemas como espiras em curto ou enrolamentos abertos afetando o funcionamento desta etapa.
De uma forma geral, o diagnóstico dos problemas pode ser feito com base tanto nas medidas de tensão dos seus diversos pontos como também da observação das formas de onda.
