principios funcionamiento fuentes alimentacion conmutadas 28076 completo

Principios de funcionamientode fuentes de alimentaciónconmutadasAutor: Ricardo Ponce

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Presentación del curso

El funcionamiento de las fuentes de alimentación conmutadas son el temaprincipal de esta serie de notas que servirá a los técnicos electrónicos y a los estudiantes de reparación de computadoras una serie de conocimientos básicosque le serán de provecho en su práctica profesional al situarlos correctamente en elcontexto de funcionamiento de las fuentes de alimentación conmutadas.

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1. Introducción. Fuentes de alimentación conmutadas

Para buscar fallas en el interior de la fuente de alimentación interna, es necesarioconocer cada una de las etapas que la componen y su funcionamiento intrínseco conel objeto de poder asociar los síntomas de la falla con la etapa correspondiente.

Este principio básico se aplica no sólo a la fuente, sino a todo circuito electrónicoque el técnico reparador debe analizar y corregir en su funcionalidad. Hacerlo deotra manera, implicaría emplear una gran cantidad de tiempo sólo para detectarcomponentes dañados o no fiables en toda la placa, lo que tornaría el trabajo dereparación inviable económicamente para el cliente y por lo tanto también para elreparador técnico.

Es por eso que en clase los profesores siempre reafirmamos que los técnicos máseficaces son los que dominan la parte teórica lo suficientemente bien como paraaplicarla a la práctica de la manera correcta.

Para proceder a la reparación de la fuente un técnico debe conocer sólidamente eluso del multímetro analógico y digital y tener un buen conocimiento de medicioneselectrónicas de componentes. En esta misma web habilitaré próximamente notasgraficas y fotográficas sobre uso del multímetro y mediciones de componenteselectrónicos. Sin estos conocimientos mínimos el técnico reparador no debería niintentar reparar una fuente de alimentación, es por ello que los conocimientos deelectrónica práctica se dan por sobre-entendidos en aquellos técnicos que quierenaprender a detectar y reparar fuentes de alimentación conmutadas.

Todos los principios fundamentales que veremos en esta serie de notas sonaplicables (con algunas modificaciones básicas) a fuentes de alimentación deimpresoras, escáners y monitores CRT y LCD.

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2. Fuentes de alimentación conmutadas

La fuente de alimentación cumple algunas funciones específicas:

Rectificar la corriente: la corriente domiciliaria o de linea posee una alternanciaestablecida por normas para el propósito general de transporte y alimentación de lasciudades. Esa alternancia es una oscilación que hace que la corriente entre en unsentido y el otro en una frecuencia determinada en ciclos por segundo o Hertzs. Lafrecuencia estandar es de 50-60 hertz (quiere decir que oscila en un sentido u otro50 o 60 veces por segundo)Los equipos electrónicos necesitan corriente contínua, para eso se necesita suprimiresa oscilación (conocida como corriente alterna) permitiendo que la corrieinte entreen un sólo sentido (corriente contínua)La fuente recibe corriente domiciliaria de alto voltaje (110 / 220 volts) y estápreparada para suprimir la oscilación en primer lugar, mejorar la frecuencia en hertzpara conseguir un flujo de corriente constante con pocas variaciones bruscas yluego reducir el valor del voltaje a una tensión que sea adecuada para loscomponentes electrónicos, que va del orden de los -12 volts a los +12 voltsLos diodos rectificadores de entrada, al permitir los ciclos de corriente en sólo unsentido, permitirán conservar los picos de corriente en ese sentido solamente,eliminando de la curva de tensión toda la corriente que no se necesita.Al ser eliminada esa parte del ciclo de corriente, los diodos entregan una corrientepulsante, con flujo entrecortado. Para rellenar esos huecos, están los capacitoreselectrolíticos, que se cargan durante los picos de tensión que reciben de los diodosdurante esos picos de corriente y los almacenan para liberarlos durante los huecos ydarle continuidad al flujo de corriente

Las fuentes de tipo ATX no trabajan con llave de interrupción directa que permitacortar el flujo de corriente, por el contrario, trabajan con una señal de OK que vienedel motherboard. Esta señal enviada por la mother viene sólo cuando todos loscomponentes están verificados como OK.

En una fuente ATX el apagado no implica que deja de recibir corriente. La etapaprimaria continua trabajando y la etapa secundaria entrega +3,3volts y +5Volts. Elresto de las tensiones quedan en estado de stand-by. La motherboard, ante lapulsación del botón de encendido o mediante una señal de "wake-on" vía PowerManagement (modem o red), envía una orden de encendido completo que permitefuncionar a pleno la etapa secundaria para entregar todas las tensiones requeridas.

La únicas fuentes ATX que pueden detener su funcionamiento por completo son lasque tienen un interruptor en la parte trasera que las apaga de manera definitiva y nopueden re-encenderse con la pulsación del botón ni con señales “wake-on”. Esimportante para el técnico conocer este detalle porque sin protección vía UPS oestabilizador, las fuentes ATX son suceptibles a problemas eléctricos de la reddomiciliaria mientras estén conectadas a la red eléctrica.

Clásicamente, para su estudio y reparación, se divide a la fuente en dos etapasclasicas: la primaria y la secundaria.

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A los fines de reparación técnica, esa división clásica resulta insuficiente, es por esoque en nuestras aulas dividimos la fuente de alimentación en distintassub-secciones que nombraremos a continuación y posteriormente analizaremosdetenidamente en las lecciones subsiguientes.

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3. Sección de Protección

Ubicada en la Etapa Primaria de la fuente, esta sección está constituída por unfusible y un termistor, que se reconoce fácilmente por su color verde (semejante auna lenteja). En ocasiones el termistor es reemplazado por una resistencia de 0,2 o0,4 ohms. En esta sección el fusible protege a toda la fuente si hay un voltajeexcesivo proveniente de la red domiciliaria y su función es cortarse para proteger laetapa primaria de la fuente.

El termistor es un componente electrónico que disminuye su resistencia frente alaumento de temperatura. Su función en esta etapa de la fuente es disminuir laresistencia permitiendo la entrada de mas cantidad de corriente en el caso desobrecalentamiento de la etapa primaria, que es producto de la sobre-exigencia dela fuente. Esta disminución de la resistencia tiene por supuesto un límite, quedependerá de la medida del termistor y del límite impuesto por el fusible.

En teoría, ante una suba de la tensión domiciliaria, el fusible debería cortarse deinmediato, pero en ocasiones antes de cortarse, suelen afectarse los diodosrectificadores y a veces los capacitores electrolíticos, componentes de la etaparectificadora y filtro de entrada (ver más adelante).

El termistor es un componente muy resistente a las averías pero de todas maneraspuede fallar, quemándose o cortándose. Frecuentemente el deterioro se evidenciaporque el componente directamente se parte o pierde parte de su cubierta, situaciónque se comprueba a simple vista.

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4. Sección de filtro para linea eléctrica

Dentro de la Etapa Primaria de la fuente, esta sección está formada por unabobina-condensador cuya única función es eliminar el "ruido" en la red eléctrica. Elobjetivo de esta sección es eliminar el ruido generado por la conmutación de lafuente. Sin esta sección, el ruido ingresaría a la red domiciliaria generandointerferencias que afectarían a la línea de alimentación de corriente alterna y a losaparatos eléctricos y electrónicos a ella enchufados.

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5. Sección rectificadora de entrada

En la Etapa Primaria de la fuente, esta sección está formada por cuatro diodos o unintegrado llamado comúnmente "puente de diodos". A los cuatro diodos se le llama"puente rectificador". La función de esta etapa es convertir la onda alterna decorriente que viene de la red domiciliara en fase positiva y negativa en una señalpuramente positiva y pulsante.

Al realizarse la conversión, la tensión de salida de los diodos es de 1,41 la de laentrada. Si desde la red domiciliaria se reciben 220 volts, a la salida del puenterectificador se obtienen aproximadamente unos 310 volts.

En algunos modelos de fuente los cuatro diodos pueden ser reemplazados por undispositivo que parece un integrado o en ocasiones suele ser confundido porestudiantes con un transistor de potencia. En realidad es un conjunto de cuatrodiodos agrupados en un encapsulado que se conoce comunmente como "puente dediodos" o "puente rectificador". A diferencia de un transistor, tiene 4 patas quedeben medirse consecutivamente como diodos agrupados en conjunto.

Al entrar en esta etapa, tenemos una onda de corriente que tiene esta forma:

La onda de corriente viene en fase positiva y negativa (es por eso que se llama

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corriente alterna). Esta etapa convierte esa onda en una señal contínua que siempreserá positiva para uno de los polos. A esa onda se la llama "onda recificada":

Esta onda rectificada, si bien siempre es contínua y positiva para un polo, podemosver que es sumamente irregular, con picos máximos y mínimos muy bruscos. Enestas condiciones un equipo electrónico no puede trabajar correctamente. Esospicos y caídas reciben el nombre de "rizado" o "ripple".

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6. Sección de filtro de entrada anti-rizado

Siempre en la Etapa Primaria de la fuente, a la salida del puente rectificador hay unpar de capacitores electrolíticos de gran tamaño que se encargan de filtrar oeliminar el rizado de la señal, conocido como ripple.

Muy cerca de los capacitores, hay una o más resistencias que se conocen como"bleeders", cuya función es descargar los capacitores lentamente al apagarse lafuente. Esa descarga regulada evita el deterioro de estos capacitores.

La idea de esta sección es obtener una señal casi contínua, aprovechando laspropiedades de los capacitores de almacenar la electricidad y entregarla de unamanera regulada en el momento que sea necesaria. A los capacitores se los llamacomúnmente "filtros" y justamente se comportan como una batería-reguladora decorriente que funciona mientras hay corriente circulando.

La corriente que se recibe en esta etapa es una onda positiva "rizada".

Los capacitores reciben esa onda irregular y en esta etapa, después de haberpasado por los capacitores, la sección entrega una onda mucho más regular, conmenos altibajos. La sección se comporta como un "filtro grueso" de corriente queintenta eliminar la irregularidad excesiva entre picos y valles a niveles más tolerablespara los componentes.

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A pesar de todo el tratamiento, aún la corriente entregada es demasiado irregularpara poder ser usada en el sistema, de modo que nuevamente es tratada en lasección siguiente (Conmutadora)

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7. Sección conmutadora (1/2)

Ubicada en al Etapa Primaria de la fuente, y dependiendo de su diseño, la secciónConmutadora (o Switching en inglés), puede esar formada por dos o mástransistores de potencia y sus correspondientes disipadores, así como por unapequeña cantidad de componentes de menor tamaño.

La función principal de estos transistores de potencia es convertir la señalproveniente de los capacitores electrolíticos de gran tamaño de la etapa anterior enuna señal de mayor frecuencia. La red domiciliaria entrega una señal de unos 50hertz y en esa condición llega a estos transistores.

Después de todo el tratamiento previo, tenemos una señal pulsante que entrega unflujo de corriente entrecortado, con picos máximos y valles mínimos. Una corrientesumamente irregular. Esta corriente pulsante tiene una frecuencia de 50 hertz y lafunción de la línea de transistores es elevar la frecuencia del pulso de la señal delos 50 hertz a 18.000 hertz.

¿Cuál es la consecuencia de ese tratamiento? Simplemente la regularización de laseñal. Al aumentar la frecuencia del pulso, el efecto práctico es que el flujo eléctricose "regulariza" por ese incremento de la frecuencia. El efecto es muy parecido al deun bache en el pavimento respecto a cómo repercute en al impacto del neumático.Antes de que quede perplejo con este ejemplo, analicemos lo siguiente:

Si usted tiene un bache o agujero en el pavimento de un metro de longitud, muyprobablemente la rueda de un automóvil quede "atascada" sin poder salir y genereun impacto brutal que golpea al vehículo con fuerza. Pero si ese hueco de un metrode longitud estuviera dividido en huecos pequeños de 5 centímetros cada uno, elneumático pasaría sin dificultad todos los huecos hasta completar el metro y elvehículo prácticamente no sentiría más que una pequeña vibración.

El principio eléctrico es el mismo: el pulso de 50 hertz genera un rizado de la señalque repercute electrónicamente porque envía "oleadas irregulares" de corrienteeléctrica, con picos y valles profundos. Un oleaje irregular de corriente pulsante nosirve para equipos electrónicos. Los transistores aumentan la frecuencia y laconsecuencia más importante de este aumento de frecuencia es que no solamentese acorta la distancia temporal del oleaje eléctrico entre picos y valles, sino que la

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se acorta la distancia temporal del oleaje eléctrico entre picos y valles, sino que ladiferencia entre máximos y mínimos también se acorta.

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8. Sección conmutadora (2/2)

El resultado final del tratamiento de la señal eléctrica en la sección conmutadora esel envío de una señal con un pulso de corriente mucho más regular, apta paraequipos electrónicos.

La tensión rectificada que se recibe de la etapa anterior, es una tensión de corrientecontínua que no tiene ningún efecto al ser aplicada al primario de untransformador. Es por eso que también estos transistores convierten nuevamente laseñal en alterna pero como mencionamos, con una frecuencia mucho mayor.

Estos transistores elevan notablemente su temperatura durante su función, por loque siempre se los encuentran asociados a disipadores a los que se ajustanmediante tornillos. Normalmente entre el disipador de aluminio y el transistor seinterpone una goma disipadora. En algunos modelos se puede encontrar grasasiliconada para cumplir con esa función, pero lo común es encontrar la goma.

La función de la goma disipadora y de la grasa siliconada es aumentar latransferencia térmica del calor entre el transistor y el aluminio. La goma no cumplela función tan eficientemente como la grasa, pero se coloca igualmente porquemantiene al transistor aislado y ante cualquier problema del circuito que lleve alaluminio a recibir alguna carga eléctrica por algún corto, se preserva la integridaddel transistor. Del mismo modo, cualquier problema de alguno de los transistoresno se propaga por el disipador al resto del circuito.

Los transistores de potencia normalmente tienen asociados a ellos conjuntos deresistencias que normalmente rondan los 2 ohms, diodos de tamaño pequeño,capacitores electrolíticos de alrededor de 2 microfaradios y en ocasiones algunasresistencias de 200 a 350 Kohms. Todos estos componentes suelen encontrarseentre la línea de transistores y la linea de transformadores o choppers de lasiguiente etapa.

En esta sección también se encuentran dos componentes que difícilmente sequemen (no es lo más habitual): un capacitor cerámico de gran tamaño y unaresistencia de gran tamaño, pero de bajo valor que ronda unos 40 a 41 ohms. Sibien es difícil que se quemen aún en condiciones extremas, siempre esrecomendable revisar ante una etapa primaria quemada.

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9. Sección transformadora

En el límite entre la Etapa Primaria y la Secundaria, encontramos a esta sección. Laetapa conmutadora le entrega a los transformadores la corriente eléctrica para que através de los bobinados se lleve a los voltajes apropiados que requiere la PC. Estaseñal de alta frecuencia (18.000 hetrz) que nuevamente fue transformada en alternapor los transistores de la sección anterior, deberá procesarse en esta área parareducir su voltaje.

Los transformadores de esta sección se llaman "choppers" y por lo general formanuna línea de tres elementos. Por lo regular el transformador de mayor tamaño sueletener más de un bobinado, por lo que devuelve varios voltajes.

Obviamente la línea de transformadores también cumple la función de aislar lasetapas Primaria y Secundaria de la fuente, al separarlas eléctricamente y dividiendola Etapa Primaria que opera con tensiones altas de la Etapa Secundaria, que trabajacon voltajes bajos. Recuerde que como cualquier bobinado, en estostransformadores se mantienen aislados los primarios de los secundarios queinteractúan por inducción magnética para crear las corrientes requeridas en la PC.

Los voltajes de la Etapa Secundaria están en el orden de los -12 volts a +12 volts.

Si bien se incluye didácticamente esta sección en la Etapa Primaria, podemos verque en la práctica está en el límite de las dos Etapas Principales de la fuente dealimentación conmutada.

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10. Sección rectificadora de salida

Ya en la Etapa Secundaria de la fuente, en esta sección los transformadoresdepositan una corriente alterna, que nuevamente debe ser procesada para serllevada a contínua. Este proceso es llevado a cabo por otra línea de transistores depotencia que suelen asociarse con diodos de gran tamaño que se conocencomunmente como "doble diodo" o "diodos de potencia".

Al salir de esta etapa, la señal es nuevamente contínua y regular, al punto de estarcasi completamente purificada para ser usada por el sistema.

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11. Sección de filtro de salida

Siguiendo en la Etapa Secundaria de la fuente de alimentación, en esta sección seusan capacitores electrolíticos y bobinas que tengan una mejor respuesta en elmanejo de corrientes cercanas a los 12 a 15 amperes. Es por eso que puedenapreciarse capacitores un poco mas grandes en tamaño que los usados en seccionesanteriores.

El filtrado de la corriente se hace necesario porque los diodos y transistores usadosen la etapa anterior no alcanzan a tener un tiempo de recuperación apropiado paraenviar una corriente contínua pura sin oscilaciones. El conjunto de capacitores ybobinas de esta sección permite complementar esa tarea y lograr una salidacontínua perfecta para el sistema.

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12. Sección de control 494

La sección de control de la Etapa Secundaria de la fuente, se encarga de verificar eltrabajo de la fuente. El trabajo es asumido por dos integrados: el TL494 y el LM339.En muchos modelos de fuente el LM339 es reemplazado por el TP53510P. Vemos acontinuación la funcionalidad de estos integrados en la sección.

Integrado TL494: Desarrollado por Motorola y Texas Intruments es un integrado de16 patas. Es fácilmente identificable por las siglas grabadas TL494 o DBL494.

Este integrado cumple la función de modulador de ancho de pulso del circuitooscilador. En las fuentes de tipo PWM (Pulse With Modulation o Modulación porAncho de Pulso), las tensiones de los secundarios de los transformadores sonproporcionales al ancho del pulso del oscilador. De tal manera que al regular elancho del pulso, se puede regular las tensiones de salida de los secundarios de lostransformadores.

El 494 regula la velocidad de conmutación de los transistores switching, de acuerdoa la corriente que se requiera de la fuente en un momento dado. Es decir que es elintegrado responsable de la respuesta dinámica de la fuente.

Esta sección de la fuente tiene una señal de referencia denominada "Power Good" (o"Tensión PG). La tensión PG es una señal de referencia para el técnico reparador quele indica si todo funciona correctamente y la fuente está en condiciones de trabajoapropiadas.

La tención PG es de +5 volts, y puede tener una variación en más o menos de 0,25volts. Esto quiere decir que al medirla, el técnico debe detectar entre +4,75 volts a+5,25 volts. Fuera de ese rango de trabajo, la fuente tiene algún componente queno trabaja correctamente.

El 494 tiene la tensión referencial en la Pata 14 y es necesario medir allí paraverificar si todo marcha correctamente. Es necesario medirla en condiciones deexigencia, vale decir que no solamente se pone a funcionar la fuente sino que se lasomete a trabajo. Normalmente se puede probar con un foco de +12 volts y 40watts, pero adicionalmente recomiendo también conectarle una unidad de discorigido y una unidad de CD/DVD para someterla a una mayor exigencia. Obviamentelas unidades de disco rígido y de CD/DVD estarán expuestas a riesgos, por lo que serecomienda que sean propiedad del técnico y que formen parte del equipo de

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recomienda que sean propiedad del técnico y que formen parte del equipo delaboratorio (sometido a riesgos de labor profesional) porque si la falla es grave,pueden quemarse fácilmente.

La tensión PG va directamente a la motherboard. En caso de ocurrir alguna fallacomo una sobrecarga, un corto circuito o una mala conexión, su valor sueledescender a 0 volts. Esta señal es la referencia de la fuente y la motherboard encaso de detectar problemas por variaciones fuera de rango, corta automáticamenteel suministro de energía a todos los dispositivos conectados a ella para evitar unposible daño a los mismos.

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13. Sección de control LM339 / TP53510P

También en la Etapa Secundaria de la fuente de alimentación, el segundo integradoque forma parte de la sección de control se le conoce comúnmente como "QuadComparator" es fabricado por Motorola, Sanyo y Fairchild. Es un integrado formadopor un conjunto de puertas lógicas que se encarga de asegurar el suministro decuatro tensiones independientes para que la fuente funcione dentro de un rango devoltaje apropiado.

Su función es asegurar un rango de voltaje que puede ir de los +2 volts a +18 volts,dependiendo del diseño interno de la fuente. Vale decir que su función es asegurarque los rangos de voltajes que trabaja la fuente no varíen por encima del máximo nipor debajo del mínimo apropiados.

Las patas 1, 2, 13 y 14 permiten la salida de los voltajes regulados. Se puede usar laPata 14 como referencia de funcionamiento del integrado. Regularmente allí (en lapata 14) podemos medir a la tensión PG en la mayoría de los diseños de fuentesreguladas, de todas maneras es conveniente que se asegure leyendo atentamente elplano de la fuente antes de dar por seguro que la tensión PG en el LM339 está en laPata 14.

Existen varios modelos de integrados (todos de 14 patas), que pueden estarreemplazando al LM339: LM339A, LM239, LM239A, LM2901, M2901V, MC3302,LM3302.

Se debe tener especial cuidado en las mediciones con las fuentes que usan losintegrados MC3302 o LM3302 porque trabajan con tensiones ligeramente inferioresde +2 volts a +28 volts. Normalmente los diseños igualmente contemplan la salidapor las patas 1, 2, 13 y 14, pero es conveniente asegurarse mediante el plano dediseño los voltajes de referencia.

Muchas fuentes actuales reemplazan el LM339 por el TP53510P en sus diseños. Esteintegrado es mucho más pequeño y contiene sólo 8 patas. Es fabricado por Texas

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Instruments y Burr-Brown.

El TP53510P cumple la misma función que el LM339, pero a diferencia de éste queentrega cuatro tensiones reguladas, el TP53510P entrega sólo una tensión reguladapor la Pata 6. Esto les permite a los fabricantes disminuir los costos en la fabricaciónde fuentes, ya que la fuente sólo regula una tensión y con simples diseñosderivadores se pueden obtener el resto de las tensiones necesarias. Por supuesto, elTP53510P contempla intensidades de corrientes mayores que las que opera elLM339 individualmente para cada pata.

La consecuencia del mal funcionamiento del Quad Comparator o del TP53510P esque la fuente es incapaz de mantener un rango de voltaje apropiado y sale de losparámetros normales. Normalmente esto se manifiesta con carga o sobrecarga detrabajo y las tensiones caen por debajo de los valores normales.

Al fallar estos integrados, la puesta en marcha de la fuente denota unfuncionamiento normal y voltajes apropiados, pero ante sobre exigencia deconsumo las tensiones caen por debajo de sus rangos.

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