Este artigo faz parte do livro “Reparação de Impressoras” de minha autoria. Os ensinamentos básicos são válidos ainda servindo de orientação para quem deseja saber como essas impressoras funcionam e eventualmente recuperá-las ou repará-las. Nesta segunda parte continuaremos a tratar das fontes de alimentação, passando agora às fontes chaveadas.
Fontes Chaveadas
A maioria das impressoras modernas, assim como monitores de vídeo, computadores, scanners e mesmo equipamentos eletrônicos de uso doméstico faz uso de fontes muito mais eficientes do que os tipos lineares ou analógicos.
São as fontes chaveadas ou Switched Mode Power Supply, abreviadamente SMPS que, além de serem muito mais eficientes, pois usam transformadores leves com núcleos de ferrite, consomem menos energia.
O princípio de funcionamento de uma fonte chaveada é simples de entender: um transistor, ou outro componente ativo, atua como uma chave digital que abre e fecha o circuito de alimentação, ligado em série, conforme mostra a figura 1.
O tempo de abertura e fechamento determina a tensão média que vai aparecer sobre a carga, em função da tensão de entrada. Por exemplo, para uma tensão de entrada de 20 V, com um ciclo ativo de 50% para o sinal de controle do transistor, teremos uma tensão média de 10 V.
Controlando a largura do pulso de controle aplicado ao transistor, podemos então regular a tensão aplicada a carga. Por esse motivo, estas fontes também são denominadas “PWM” ou Pulse Width Modulation – Modulação por Largura de Pulso.
Existe então um circuito sensor, conforme mostrou a figura 246, que monitora a tensão de saída da fonte constantemente, usando o sinal para controlar justamente a largura do pulso que é aplicado ao elemento chaveador do circuito. Quando a tensão na saída tende a cair, por um aumento da corrente na carga, por exemplo, o circuito de sensoriamento detecta esse fato, aplicando um sinal que corrige a tensão de saída pela alteração da largura do pulso gerado.
Nas impressoras que utilizam este tipo de fonte podemos encontrar três componentes de potência básicos no circuito de chaveamento: transistores de efeito de campo de potência, transistores bipolares e em alguns casos até mesmo SCRs.
Para analisar uma fonte deste tipo em pormenores, verificando os possíveis defeitos, tomemos um circuito prático de impressora, como o mostrado na figura 2.
Tomamos como exemplo a fonte da impressora ML-5000 A/G da Samsung. Configurações semelhantes podem ser encontradas em muitas outras impressoras. Uma análise detalhada vai ser muito útil para os leitores, pois essa configuração aparece com pequenas variações numa infinidade de modelos de impressoras.
Podem mudar os componentes ou poucos detalhes do circuito, mas o princípio de funcionamento é o mesmo para todas, assim como a maioria dos problemas e também a forma de diagnóstico.
Funcionamento
As fontes chaveadas são muito ruidosas, já que usam dispositivos que ligam e desligam rapidamente atuando sobre cargas indutivas, no caso os transformadores. Assim, o filtro de entrada nessa fonte tem componentes dobrados em relação à configuração comum. Temos então dois conjuntos de indutores e dois conjuntos de capacitores, formando o filtro de entrada.
Deste filtro, a tensão da rede de energia passa diretamente para uma ponte contendo quatro diodos, a partir da qual se obtém uma alta tensão contínua para o circuito chaveador. Esse circuito é detalhado na figura 3.
Destacamos neste circuito ainda a presença de dois varistores na entrada, para uma proteção adicional contra transientes, já que não temos nesta impressora o pino de terra na alimentação, o que é altamente recomendável. A alta tensão contínua obtida nesta etapa de entrada serve para alimentar a etapa de chaveamento que tem por base um transformador especial, com núcleo de ferrite, e um transistor de MOSFET de potência que opera como oscilador.
A alta frequência permite que transformadores compactos sejam usados para se obter qualquer tensão sob correntes elevadas. Na figura 4 temos exemplos dos transformadores que são usados nestas fontes. O teste dos enrolamentos é feito da mesma forma que num transformador convencional, se bem que sejam componentes bastante difíceis de apresentar problemas.
A carga de dreno desse transistor é o enrolamento primário do transformador, sendo a realimentação que mantém as oscilações dadas por um segundo enrolamento.
Este transformador possui dois enrolamentos secundários, já que duas tensões contínuas são fornecidas para os circuitos da impressora. Um deles, o superior (saída 1), fornece 24 V para a alimentação dos motores de passo e outros dispositivos de potência, conforme detalhado na figura 5.
O outro circuito (saída 2), fornece a tensão de 5 V para os circuitos lógicos, como os circuitos de interfaceamento, memória e controle da impressora. O terra para os dois circuitos é comum, se bem que seja totalmente isolado do circuito que faz o controle do primário, ou do oscilador de chaveamento que está em conexão com a rede de energia.
Na reparação é muito importante ter esse fato em mente, já que quando a impressora está ligada, os componentes do primário da fonte estão todos sem isolamento da rede de energia, podendo causar choques perigosos caso sejam tocados.
No setor secundário de 5 V temos também o sistema de controle ou regulagem de tensão desta fonte que é formado por um acoplador óptico. O fototransistor é ligado à saída da fonte, logo após os diodos retificadores.
O sensor, um fototransistor é ligado à base do transistor MOSFET de potência, usado no chaveamento do transformador. Dessa forma, quando a tensão na saída sensorada cai, imediatamente o brilho do LED também diminui e o sensor faz com que o transistor mude a largura do pulso produzido, compensando o problema. Com isso, a saída de tensão se mantém estável.
Observe o componente ligado ao catodo do LED no secundário do transformador. Trata-se de um regulador de temperatura, que modifica a corrente do LED em função da temperatura sensorada. A figura 6 detalha esse setor do circuito.
Outro setor importante desta fonte ainda não analisada é o que alimenta a lâmpada de aquecimento do cilindro que funde o toner, conforme já vimos ao analisar o funcionamento de uma impressora Jato de Tinta. Este setor, mostrado na figura 7, tem por elemento básico um TRIAC disparado por um opto-diac MOC3061, componente bastante conhecido dos profissionais da eletrônica.
Quando o LED do opto-diac recebe o sinal de 24 V da saída do setor da fonte que alimenta os motores de passo (24 VCOVER), ele dispara o triac que alimenta a lâmpada aquecedora, via conector CN202. Veja que se trata de um setor que está conectado diretamente à rede de energia e, portanto, recebe alimentação diretamente do circuito de entrada, passando por apenas um setor da fonte. O opto-diac é que proporciona o devido isolamento desse setor dos circuitos de baixa tensão.
Destacamos neste circuito a presença do “snubber”, formado por C206 e R202 tendo por função amortecer a comutação rápida do TRIAC, evitando a geração de transientes e também protegendo o próprio componente. No diagrama original, vemos a indicação de que o TRIAC é montado num dissipador de calor.
Problemas Comuns
Diversos são os problemas que podem se manifestar numa fonte com a arquitetura indicada, que é a mais comum que podemos tomar como exemplo.
O primeiro, e talvez o mais comum, é a queima do transistor de chaveamento, o MOSFET de potência. Esse componente de potência, normalmente trabalha no limite de suas características conduzindo correntes intensas e ficando sujeito a tensões elevadas.
Assim, é comum que ocorra sua queima, com a paralisação da fonte. A entrada em curto deste transistor, normalmente causa a queima do fusível de entrada (F201). Não adianta substituir o fusível, que o novo queimará enquanto o transistor não for trocado. Observe que não existem reguladores de tensão comuns nas saídas das fontes, portanto alterações nestes pontos dos circuitos podem ocorrer com a queima ou abertura de eletrolíticos, queima de resistores e outros problemas comuns em circuitos eletrônicos.
Essas fontes operam em frequências relativamente elevadas, entre 20 kHz e 100 kHz tipicamente, de modo que a análise das formas de onda no setor oscilador pode ajudar no diagnóstico de problemas. Também são comuns os problemas relacionados com a queima de diodos, tanto no setor de alta tensão (primário), como de baixa tensão, depois do transformador. A entrada em curto dos diodos pode tanto se dever a problemas com capacitores, transistores, como dos próprios diodos.
Veja que o transformador nesse tipo de fonte, por operar com frequência elevada, é do tipo com núcleo de ferrite e não laminado. Estes transformadores possuem enrolamentos com fios grossos e relativamente poucas espiras, quando comparados aos transformadores comuns das fontes lineares. Isto os torna mais robustos e, portanto, dificilmente ocorrem problemas com sua queima, interrupção de enrolamentos ou outros.
No setor do TRIAC, o TRIAC, por ser um elemento que trabalha com potências elevadas e ligado à própria rede de energia, também está sujeito à queima. Em geral podem ser usados TRIACs comuns para esta aplicação.
De uma forma geral todos os componentes usados neste setor de uma fonte podem ser encontrados com relativa facilidade no comércio especializado. Mesmo os transistores, TRIACs e MOSFETs admitem equivalentes, pois não são críticos. Assim, para o caso dos transistores de efeito de campo de potência MOSFETs, é comum o uso de tipos da série IRF, que são comuns no nosso mercado, e que substituem os tipos mais difíceis, principalmente de impressoras de origem oriental.
O único componente que pode apresentar dificuldades, em caso de queima é justamente o transformador, mas conforme vimos, pelas suas características dificilmente é responsável por problemas neste setor de uma impressora.
Para que o leitor tenha uma idéia de outras configurações de fontes chaveadas de impressoras, para perceber que não existem muitas diferenças em relação ao que vimos, tomamos o circuito da fonte da impressora HP ActionLaser 1300, mostrado na figura 8.
Os principais pontos que podemos observar, e que merecem comentários, na fonte da impressora indicada são: Na entrada temos um filtro mais simples, sem o uso de varistores, utilizando apenas um par de choques em enrolamento comum (CM131) e os capacitores tradicionais, antes da ponte retificadora.
O chaveamento do transformador nessa fonte é feito por um transistor bipolar (Q1) com o controle de largura de pulso, feito diretamente na sua base por um acoplador óptico (P151). O LED do controle de largura de pulso também tem um elemento de controle M61, para maior estabilidade. Esta fonte tem diversas saídas de tensão com valores de 12 V, 5,1 V e tensões para o ventilador além de outras.
