A fonte chaveada: como funciona e como falha

Abra uma placa de equipamento recente e procure o transformador de ferro da lição 4. Na maioria dos casos ele não está lá. No lugar há um componente pequeno, um semicondutor com dissipador, um capacitor de alta tensão e um circuito integrado de controle.

É a fonte chaveada, e ela é mais eficiente, mais leve e mais barata que a fonte linear. Também é mais complexa de diagnosticar e, por um motivo específico, exige um cuidado de segurança que a fonte linear não exigia.

Por que ela substituiu o transformador

O tamanho do transformador depende da frequência com que ele trabalha: quanto mais alta a frequência, menor o núcleo necessário para a mesma potência.

A fonte chaveada explora isso. Em vez de transformar a rede em 60 Hz, ela primeiro converte a rede em corrente contínua, depois recria uma alternada de alta frequência — dezenas de milhares de ciclos por segundo — e só então a transforma. O transformador de alta frequência resultante cabe na mão e pesa gramas.

O ganho de rendimento vem do princípio da lição 7: o controle é por chaveamento, não por dissipação. O regulador linear da lição 4 queima como calor a diferença entre entrada e saída; a fonte chaveada ajusta a fração de tempo em que a chave conduz e dissipa muito pouco.

Os quatro estágios

1. Retificação e filtro da rede. A rede é retificada e filtrada diretamente, sem transformador antes. É isto que cria o fato central desta lição: o capacitor de filtro fica carregado com a tensão de pico da rede — numa rede de 220 V, algo em torno de 300 V em corrente contínua. Esse é o barramento CC.

2. A chave de alta frequência. Um MOSFET, comandado por um controlador, recorta o barramento em pulsos de alta frequência. A largura dos pulsos define quanta energia é transferida.

3. O transformador de alta frequência. Transfere a energia ao secundário e, ao mesmo tempo, mantém o isolamento entre o lado da rede e o lado da lógica — a mesma barreira da lição 10.

4. Retificação e filtro da saída. No secundário, diodos rápidos e capacitores entregam a tensão contínua final.

E fechando o conjunto, o laço de realimentação: o controlador precisa saber a tensão de saída para ajustar a largura dos pulsos, mas os dois lados são isolados. A informação atravessa por um optoacoplador — exatamente a aplicação citada na lição 10.

O barramento CC e a segurança

Aqui está a parte da lição que não admite desatenção.

O capacitor do barramento guarda energia à tensão de pico da rede, e continua carregado depois de o equipamento ser desligado. Não há aviso, não há LED que necessariamente indique, e o tempo de descarga depende do que está ligado a ele — em placa com defeito, pode ser muito longo, porque o circuito que normalmente consumiria essa energia não está funcionando.

Em equipamento inverter, com barramento de maior capacidade, a energia armazenada é suficiente para causar acidente grave.

O procedimento é simples e não tem exceção:

1. Desligar o disjuntor do circuito, não apenas o equipamento.
2. Aguardar o tempo indicado pelo fabricante — tipicamente alguns minutos, e mais em equipamento de maior porte.
3. Medir a tensão nos terminais do capacitor do barramento, com o multímetro em tensão contínua e na escala adequada. Esta medição não é opcional: é o que confirma que a espera funcionou.
4. Descarregar com resistor apropriado, se a tensão não caiu. Nunca com chave de fenda: o arco é violento, danifica o componente e projeta material.
5. Medir outra vez para confirmar.

Vale repetir o que a lição 4 já dizia e aqui passa a ser crítico: a medição é o que confirma, não a espera. Placa com defeito pode manter carga por muito mais tempo que o previsto.

As falhas típicas

Capacitor do barramento degradado. A mesma história da lição 4, com consequências maiores: perde capacitância e ganha resistência interna, a tensão do barramento passa a oscilar, e o sintoma é placa que reseta, equipamento que desarma sob carga, ou falha intermitente que piora com o tempo e com o calor. Componente estufado ou com resíduo é diagnóstico visual.

MOSFET de chaveamento em curto. Falha abrupta e característica: o fusível de entrada abre na energização, e frequentemente o resistor de partida e o circuito de comando do gate vão junto. Fonte chaveada com MOSFET em curto raramente tem só esse componente queimado.

Diodos rápidos da saída em curto. A tensão de saída desaparece ou cai muito. Testam-se pelo teste de junção, com os cuidados já conhecidos.

Optoacoplador da realimentação falho. Falha interessante porque engana. Sem a informação de saída, o controlador não sabe se deve aumentar ou reduzir os pulsos, e o comportamento resultante pode ser tensão de saída alta demais — que danifica a lógica — ou fonte que entra em proteção e desliga ciclicamente, produzindo o característico ruído intermitente.

Resistor de partida aberto. Muitas fontes usam um resistor de alto valor para alimentar o controlador no instante da partida. Aberto, a fonte simplesmente não arranca: tensão no barramento presente, saída ausente, nenhum componente visivelmente queimado.

Proteção atuando por carga em curto. A fonte moderna se protege. Antes de condená-la, vale desconectar as cargas acessíveis e verificar se ela arranca sozinha — uma válvula solenoide em curto ou um ventilador travado faz a fonte entrar em proteção, e o defeito não é dela.

O sintoma do liga-desliga cíclico

Vale isolar esse caso porque é comum e tem significado próprio: a fonte tenta arrancar, detecta algo fora do esperado, desliga, tenta de novo. O efeito é um estalido ou chiado rítmico, com LEDs piscando.

Isso é a proteção trabalhando, e aponta para três hipóteses, nesta ordem de verificação: carga em curto adiante, capacitor de saída degradado, ou laço de realimentação com defeito. Não aponta, em primeira instância, para a fonte estar queimada — ela está funcionando o suficiente para se proteger.

O roteiro de medição

Com os cuidados do barramento rigorosamente observados:

1. Tensão na entrada da placa — confirma alimentação.
2. Fusível de entrada — aberto, suspeite de MOSFET de chaveamento ou ponte em curto, e continue desenergizado.
3. Tensão do barramento CC — presente e estável indica que o estágio de entrada está íntegro. Ausente com rede presente: ponte, fusível ou resistor de proteção.
4. Tensão de saída da fonte — ausente com barramento presente aponta para chave, controlador, resistor de partida, transformador ou realimentação.
5. Tensão de lógica no ponto de alimentação do microcontrolador — o valor que decide se faz sentido investigar qualquer outra coisa.
6. Com a saída instável, desconectar cargas e observar se estabiliza — separa defeito da fonte de proteção contra carga defeituosa.

Note que o roteiro é o mesmo da lição 4 em estrutura. O que mudou foi o conteúdo de cada estágio e, sobretudo, o cuidado no passo do barramento.

Quando o reparo não vale

Fonte chaveada com MOSFET de chaveamento em curto arrasta componentes de comando que frequentemente são de identificação difícil e de valor crítico. Fonte com controlador danificado, trilha aberta sob o componente ou dano térmico extenso está fora do reparo de campo.

A fronteira da lição 1 vale integralmente aqui: capacitor estufado, fusível, diodo de saída e conector são intervenções razoáveis. Chave de potência, controlador e realimentação, em campo e sem o esquema do fabricante, não são.

Erros comuns

Abrir placa de equipamento inverter sem medir o barramento CC. A energia armazenada é suficiente para acidente grave, e a espera sem medição não é garantia.

Descarregar capacitor de barramento com chave de fenda. Arco violento, dano ao componente e risco de projeção.

Religar fusível de fonte chaveada sem procurar a causa. MOSFET de chaveamento em curto arrasta mais componentes a cada tentativa.

Condenar a fonte diante de liga-desliga cíclico. É a proteção funcionando; verifique carga em curto, capacitor de saída e realimentação.

Substituir capacitor do barramento por um de tensão menor. A tensão de trabalho é da ordem da tensão de pico da rede, não da tensão nominal dela.

O que ficou

A fonte chaveada retifica a rede diretamente, formando um barramento de corrente contínua na tensão de pico, recorta esse barramento em alta frequência e usa um transformador pequeno que também mantém o isolamento. O barramento permanece carregado depois de desligar, e medir antes de tocar é obrigatório, não recomendável. As falhas típicas são capacitor degradado, chave em curto, diodos de saída, optoacoplador de realimentação e resistor de partida — e o liga-desliga cíclico é proteção, não fonte queimada. O roteiro de medição tem a mesma estrutura da fonte linear, com cuidado próprio no estágio do barramento.

A próxima lição trata do que mais destrói placa e fonte em instalação brasileira: o surto.

Teste seu conhecimento

Leia também

• Página-pilar: Inverter e eletrônica de potência na refrigeração
• Próxima lição: Surtos e proteção da placa: varistor, TVS e fusível
• Lição anterior: Motor de passo e válvula de expansão eletrônica
• Relacionado: Acionamento inverter: barramento CC, módulo de potência e medição segura