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mailxmail - Cursos para compartir lo que sabes
Principios de funcionamiento
de fuentes de alimentación
conmutadas
Autor: Ricardo Ponce
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Presentación del curso
El funcionamiento de las fuentes de alimentación conmutadas son el tema principal de esta serie
de notas que servirá a los técnicos electrónicos y a los estudiantes de reparación de
computadoras una serie de conocimientos básicos que le serán de provecho en su práctica
profesional al situarlos correctamente en el contexto de funcionamiento de las fuentes de
alimentación conmutadas.
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1. Introducción. Fuentes de alimentación conmutadas
[ http://www.mailxmail.com/...mentacion-conmutadas/introduccion-fuentes-alimentacion-conmutadas]
Para buscar fallas en el interior de la fuente de alimentación interna, es necesario conocer
cada una de las etapas que la componen y su funcionamiento intrínseco con el 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 electrónico que el
técnico reparador debe analizar y corregir en su funcionalidad. Hacerlo de otra manera,
implicaría emplear una gran cantidad de tiempo sólo para detectar componentes dañados o
no fiables en toda la placa, lo que tornaría el trabajo de reparación inviable económicamente
para el cliente y por lo tanto también para el reparador técnico.
Es por eso que en clase los profesores siempre reafirmamos que los técnicos más eficaces son
los que dominan la parte teórica lo suficientemente bien como para aplicarla a la práctica de
la manera correcta.
Para proceder a la reparación de la fuente un técnico debe conocer sólidamente el uso del
multímetro analógico y digital y tener un buen conocimiento de mediciones electrónicas de
componentes. En esta misma web habilitaré próximamente notas graficas y fotográficas sobre
uso del multímetro y mediciones de componentes electrónicos. Sin estos conocimientos
mínimos el técnico reparador no debería ni intentar reparar una fuente de alimentación, es
por ello que los conocimientos de electrónica práctica se dan por sobre-entendidos en
aquellos técnicos que quieren aprender a detectar y reparar fuentes de alimentación
conmutadas.
Todos los principios fundamentales que veremos en esta serie de notas son aplicables (con
algunas modificaciones básicas) a fuentes de alimentación de impresoras, escáners y
monitores CRT y LCD.
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2. Fuentes de alimentación conmutadas
[ http://www.mailxmail.com/...o-fuentes-alimentacion-conmutadas/fuentes-alimentacion-conmutadas]
La fuente de alimentación cumple algunas funciones específicas:
Rectificar la corriente: la corriente domiciliaria o de linea posee una alternancia establecida
por normas para el propósito general de transporte y alimentación de las ciudades. Esa
alternancia es una oscilación que hace que la corriente entre en un sentido y el otro en una
frecuencia determinada en ciclos por segundo o Hertzs. La frecuencia estandar es de 50-60
hertz (quiere decir que oscila en un sentido u otro 50 o 60 veces por segundo)
Los equipos electrónicos necesitan corriente contínua, para eso se necesita suprimir esa
oscilación (conocida como corriente alterna) permitiendo que la corrieinte entre en un sólo
sentido (corriente contínua)
La fuente recibe corriente domiciliaria de alto voltaje (110 / 220 volts) y está preparada para
suprimir la oscilación en primer lugar, mejorar la frecuencia en hertz para conseguir un flujo
de corriente constante con pocas variaciones bruscas y luego reducir el valor del voltaje a una
tensión que sea adecuada para los componentes electrónicos, que va del orden de los -12
volts a los +12 volts
Los diodos rectificadores de entrada, al permitir los ciclos de corriente en sólo un sentido,
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 corriente pulsante,
con flujo entrecortado. Para rellenar esos huecos, están los capacitores electrolíticos, que se
cargan durante los picos de tensión que reciben de los diodos durante esos picos de
corriente y los almacenan para liberarlos durante los huecos y darle continuidad al flujo de
corriente
Las fuentes de tipo ATX no trabajan con llave de interrupción directa que permita cortar el
flujo de corriente, por el contrario, trabajan con una señal de OK que viene del motherboard.
Esta señal enviada por la mother viene sólo cuando todos los componentes están verificados
como OK.
En una fuente ATX el apagado no implica que deja de recibir corriente. La etapa primaria
continua trabajando y la etapa secundaria entrega +3,3volts y +5Volts. El resto de las
tensiones quedan en estado de stand-by. La motherboard, ante la pulsación del botón de
encendido o mediante una señal de "wake-on" vía Power Management (modem o red), envía
una orden de encendido completo que permite funcionar a pleno la etapa secundaria para
entregar todas las tensiones requeridas.
La únicas fuentes ATX que pueden detener su funcionamiento por completo son las que
tienen un interruptor en la parte trasera que las apaga de manera definitiva y no pueden
re-encenderse con la pulsación del botón ni con señales “wake-on”. Es importante para el
técnico conocer este detalle porque sin protección vía UPS o estabilizador, las fuentes ATX son
suceptibles a problemas eléctricos de la red domiciliaria mientras estén conectadas a la red
eléctrica.
Clásicamente, para su estudio y reparación, se divide a la fuente en dos etapas clasicas: la
primaria y la secundaria.
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A los fines de reparación técnica, esa división clásica resulta insuficiente, es por eso que en
nuestras aulas dividimos la fuente de alimentación en distintas sub-secciones que
nombraremos a continuación y posteriormente analizaremos detenidamente en las lecciones
subsiguientes.
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3. Sección de Protección
[ http://www.mailxmail.com/...funcionamiento-fuentes-alimentacion-conmutadas/seccion-proteccion]
Ubicada en la Etapa Primaria de la fuente, esta sección está constituída por un fusible y un
termistor, que se reconoce fácilmente por su color verde (semejante a una lenteja). En
ocasiones el termistor es reemplazado por una resistencia de 0,2 o 0,4 ohms. En esta
sección el fusible protege a toda la fuente si hay un voltaje excesivo proveniente de la red
domiciliaria y su función es cortarse para proteger la etapa primaria de la fuente.
El termistor es un componente electrónico que disminuye su resistencia frente al aumento de
temperatura. Su función en esta etapa de la fuente es disminuir la resistencia permitiendo la
entrada de mas cantidad de corriente en el caso de sobrecalentamiento de la etapa primaria,
que es producto de la sobre-exigencia de la fuente. Esta disminución de la resistencia tiene
por supuesto un límite, que dependerá 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 de inmediato,
pero en ocasiones antes de cortarse, suelen afectarse los diodos rectificadores y a veces los
capacitores electrolíticos, componentes de la etapa rectificadora y filtro de entrada (ver más
adelante).
El termistor es un componente muy resistente a las averías pero de todas maneras puede
fallar, quemándose o cortándose. Frecuentemente el deterioro se evidencia porque el
componente directamente se parte o pierde parte de su cubierta, situación que se
comprueba a simple vista.
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4. Sección de filtro para linea eléctrica
[ http://www.mailxmail.com/...to-fuentes-alimentacion-conmutadas/seccion-filtro-linea-electrica]
Dentro de la Etapa Primaria de la fuente, esta sección está formada por una
bobina-condensador cuya única función es eliminar el "ruido" en la red eléctrica. El
objetivo de esta sección es eliminar el ruido generado por la conmutación de la
fuente. Sin esta sección, el ruido ingresaría a la red domiciliaria generando
interferencias que afectarían a la línea de alimentación de corriente alterna y a los
aparatos eléctricos y electrónicos a ella enchufados.
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5. Sección rectificadora de entrada
[ http://www.mailxmail.com/...nto-fuentes-alimentacion-conmutadas/seccion-rectificadora-entrada]
En la Etapa Primaria de la fuente, esta sección está formada por cuatro diodos o un
integrado llamado comúnmente "puente de diodos". A los cuatro diodos se le llama "puente
rectificador". La función de esta etapa es convertir la onda alterna de corriente que viene de
la red domiciliara en fase positiva y negativa en una señal puramente positiva y pulsante.
Al realizarse la conversión, la tensión de salida de los diodos es de 1,41 la de la entrada. Si
desde la red domiciliaria se reciben 220 volts, a la salida del puente rectificador se obtienen
aproximadamente unos 310 volts.
En algunos modelos de fuente los cuatro diodos pueden ser reemplazados por un
dispositivo que parece un integrado o en ocasiones suele ser confundido por estudiantes
con un transistor de potencia. En realidad es un conjunto de cuatro diodos agrupados en un
encapsulado que se conoce comunmente como "puente de diodos" o "puente rectificador". A
diferencia de un transistor, tiene 4 patas que deben 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 corriente
alterna). Esta etapa convierte esa onda en una señal contínua que siempre será positiva para
uno de los polos. A esa onda se la llama "onda recificada":
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Esta onda rectificada, si bien siempre es contínua y positiva para un polo, podemos ver que
es sumamente irregular, con picos máximos y mínimos muy bruscos. En estas condiciones
un equipo electrónico no puede trabajar correctamente. Esos picos y caídas reciben el
nombre de "rizado" o "ripple".
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6. Sección de filtro de entrada anti-rizado
[ http://www.mailxmail.com/...uentes-alimentacion-conmutadas/seccion-filtro-entrada-anti-rizado]
Siempre en la Etapa Primaria de la fuente, a la salida del puente rectificador hay un par de
capacitores electrolíticos de gran tamaño que se encargan de filtrar o eliminar 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 la fuente. Esa descarga
regulada evita el deterioro de estos capacitores.
La idea de esta sección es obtener una señal casi contínua, aprovechando las propiedades
de los capacitores de almacenar la electricidad y entregarla de una manera regulada en el
momento que sea necesaria. A los capacitores se los llama comúnmente "filtros" y
justamente se comportan como una batería-reguladora de corriente 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 haber pasado por los
capacitores, la sección entrega una onda mucho más regular, con menos altibajos. La
sección se comporta como un "filtro grueso" de corriente que intenta eliminar la
irregularidad excesiva entre picos y valles a niveles más tolerables para los componentes.
A pesar de todo el tratamiento, aún la corriente entregada es demasiado irregular para
poder ser usada en el sistema, de modo que nuevamente es tratada en la sección siguiente
(Conmutadora)
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7. Sección conmutadora (1/2)
[ http://www.mailxmail.com/...cionamiento-fuentes-alimentacion-conmutadas/seccion-conmutadora-1]
Ubicada en al Etapa Primaria de la fuente, y dependiendo de su diseño, la sección
Conmutadora (o Switching en inglés), puede esar formada por dos o más transistores de
potencia y sus correspondientes disipadores, así como por una pequeña cantidad de
componentes de menor tamaño.
La función principal de estos transistores de potencia es convertir la señal proveniente de los
capacitores electrolíticos de gran tamaño de la etapa anterior en una señal de mayor
frecuencia. La red domiciliaria entrega una señal de unos 50 hertz y en esa condición llega a
estos transistores.
Después de todo el tratamiento previo, tenemos una señal pulsante que entrega un flujo de
corriente entrecortado, con picos máximos y valles mínimos. Una corriente sumamente
irregular. Esta corriente pulsante tiene una frecuencia de 50 hertz y la función de la línea de
transistores es elevar la frecuencia del pulso de la señal de los 50 hertz a 18.000 hertz.
¿Cuál es la consecuencia de ese tratamiento? Simplemente la regularización de la señal. Al
aumentar la frecuencia del pulso, el efecto práctico es que el flujo eléctrico se "regulariza" por
ese incremento de la frecuencia. El efecto es muy parecido al de un 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, muy
probablemente la rueda de un automóvil quede "atascada" sin poder salir y genere un impacto
brutal que golpea al vehículo con fuerza. Pero si ese hueco de un metro de longitud estuviera
dividido en huecos pequeños de 5 centímetros cada uno, el neumático pasaría sin dificultad
todos los huecos hasta completar el metro y el vehículo prácticamente no sentiría más que una
pequeña vibración.
El principio eléctrico es el mismo: el pulso de 50 hertz genera un rizado de la señal que
repercute electrónicamente porque envía "oleadas irregulares" de corriente eléctrica, con picos
y valles profundos. Un oleaje irregular de corriente pulsante no sirve para equipos
electrónicos. Los transistores aumentan la frecuencia y la consecuencia más importante de
este aumento de frecuencia es que no solamente se acorta la distancia temporal del oleaje
eléctrico entre picos y valles, sino que la diferencia entre máximos y mínimos también se
acorta.
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8. Sección conmutadora (2/2)
[ http://www.mailxmail.com/...cionamiento-fuentes-alimentacion-conmutadas/seccion-conmutadora-2]
El resultado final del tratamiento de la señal eléctrica en la sección conmutadora es el envío de
una señal con un pulso de corriente mucho más regular, apta para equipos electrónicos.
La tensión rectificada que se recibe de la etapa anterior, es una tensión de corriente contínua
que no tiene ningún efecto al ser aplicada al primario de un transformador. Es por eso que
también estos transistores convierten nuevamente la señal en alterna pero como
mencionamos, con una frecuencia mucho mayor.
Estos transistores elevan notablemente su temperatura durante su función, por lo que siempre
se los encuentran asociados a disipadores a los que se ajustan mediante tornillos.
Normalmente entre el disipador de aluminio y el transistor se interpone una goma disipadora.
En algunos modelos se puede encontrar grasa siliconada 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 la transferencia térmica
del calor entre el transistor y el aluminio. La goma no cumple la función tan eficientemente
como la grasa, pero se coloca igualmente porque mantiene al transistor aislado y ante
cualquier problema del circuito que lleve al aluminio a recibir alguna carga eléctrica por algún
corto, se preserva la integridad del transistor. Del mismo modo, cualquier problema de alguno
de los transistores no se propaga por el disipador al resto del circuito.
Los transistores de potencia normalmente tienen asociados a ellos conjuntos de resistencias
que normalmente rondan los 2 ohms, diodos de tamaño pequeño, capacitores electrolíticos de
alrededor de 2 microfaradios y en ocasiones algunas resistencias de 200 a 350 Kohms. Todos
estos componentes suelen encontrarse entre la línea de transistores y la linea de
transformadores o choppers de la siguiente etapa.
En esta sección también se encuentran dos componentes que difícilmente se quemen (no es lo
más habitual): un capacitor cerámico de gran tamaño y una resistencia de gran tamaño, pero
de bajo valor que ronda unos 40 a 41 ohms. Si bien es difícil que se quemen aún en
condiciones extremas, siempre es recomendable revisar ante una etapa primaria quemada.
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9. Sección transformadora
[ http://www.mailxmail.com/...ionamiento-fuentes-alimentacion-conmutadas/seccion-transformadora]
En el límite entre la Etapa Primaria y la Secundaria, encontramos a esta sección. La etapa
conmutadora le entrega a los transformadores la corriente eléctrica para que a través de los
bobinados se lleve a los voltajes apropiados que requiere la PC. Esta señal de alta frecuencia
(18.000 hetrz) que nuevamente fue transformada en alterna por los transistores de la sección
anterior, deberá procesarse en esta área para reducir su voltaje.
Los transformadores de esta sección se llaman "choppers" y por lo general forman una línea
de tres elementos. Por lo regular el transformador de mayor tamaño suele tener más de un
bobinado, por lo que devuelve varios voltajes.
Obviamente la línea de transformadores también cumple la función de aislar las etapas
Primaria y Secundaria de la fuente, al separarlas eléctricamente y dividiendo la Etapa Primaria
que opera con tensiones altas de la Etapa Secundaria, que trabaja con voltajes bajos.
Recuerde que como cualquier bobinado, en estos transformadores se mantienen aislados los
primarios de los secundarios que interactúan 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 ver que en la
práctica está en el límite de las dos Etapas Principales de la fuente de alimentación
conmutada.
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10. Sección rectificadora de salida
[ http://www.mailxmail.com/...ento-fuentes-alimentacion-conmutadas/seccion-rectificadora-salida]
Ya en la Etapa Secundaria de la fuente, en esta sección los transformadores depositan una
corriente alterna, que nuevamente debe ser procesada para ser llevada a contínua. Este
proceso es llevado a cabo por otra línea de transistores de potencia que suelen asociarse
con diodos de gran tamaño que se conocen comunmente como "doble diodo" o "diodos de
potencia".
Al salir de esta etapa, la señal es nuevamente contínua y regular, al punto de estar casi
completamente purificada para ser usada por el sistema.
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11. Sección de filtro de salida
[ http://www.mailxmail.com/...cionamiento-fuentes-alimentacion-conmutadas/seccion-filtro-salida]
Siguiendo en la Etapa Secundaria de la fuente de alimentación, en esta sección se usan
capacitores electrolíticos y bobinas que tengan una mejor respuesta en el manejo de
corrientes cercanas a los 12 a 15 amperes. Es por eso que pueden apreciarse capacitores un
poco mas grandes en tamaño que los usados en secciones anteriores.
El filtrado de la corriente se hace necesario porque los diodos y transistores usados en la
etapa anterior no alcanzan a tener un tiempo de recuperación apropiado para enviar una
corriente contínua pura sin oscilaciones. El conjunto de capacitores y bobinas de esta
sección permite complementar esa tarea y lograr una salida contínua perfecta para el
sistema.
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12. Sección de control 494
[ http://www.mailxmail.com/...uncionamiento-fuentes-alimentacion-conmutadas/seccion-control-494]
La sección de control de la Etapa Secundaria de la fuente, se encarga de verificar el trabajo 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 a continuación la funcionalidad
de estos integrados en la sección.
Integrado TL494: Desarrollado por Motorola y Texas Intruments es un integrado de 16 patas.
Es fácilmente identificable por las siglas grabadas TL494 o DBL494.
Este integrado cumple la función de modulador de ancho de pulso del circuito oscilador. En
las fuentes de tipo PWM (Pulse With Modulation o Modulación por Ancho de Pulso), las
tensiones de los secundarios de los transformadores son proporcionales al ancho del pulso
del oscilador. De tal manera que al regular el ancho del pulso, se puede regular las tensiones
de salida de los secundarios de los transformadores.
El 494 regula la velocidad de conmutación de los transistores switching, de acuerdo a la
corriente que se requiera de la fuente en un momento dado. Es decir que es el integrado
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 que le indica si todo
funciona correctamente y la fuente está en condiciones de trabajo apropiadas.
La tención PG es de +5 volts, y puede tener una variación en más o menos de 0,25 volts. 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 que no trabaja correctamente.
El 494 tiene la tensión referencial en la Pata 14 y es necesario medir allí para verificar si todo
marcha correctamente. Es necesario medirla en condiciones de exigencia, vale decir que no
solamente se pone a funcionar la fuente sino que se la somete a trabajo. Normalmente se
puede probar con un foco de +12 volts y 40 watts, pero adicionalmente recomiendo también
conectarle una unidad de disco rigido y una unidad de CD/DVD para someterla a una mayor
exigencia. Obviamente las unidades de disco rígido y de CD/DVD estarán expuestas a
riesgos, por lo que se recomienda que sean propiedad del técnico y que formen parte del
equipo de laboratorio (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 falla como una
sobrecarga, un corto circuito o una mala conexión, su valor suele descender a 0 volts. Esta
señal es la referencia de la fuente y la motherboard en caso de detectar problemas por
variaciones fuera de rango, corta automáticamente el suministro de energía a todos los
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dispositivos conectados a ella para evitar un posible daño a los mismos.
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13. Sección de control LM339 / TP53510P
[http://www.mailxmail.com/...to-fuentes-alimentacion-conmutadas/seccion-control-lm339-tp53510p]
También en la Etapa Secundaria de la fuente de alimentación, el segundo integrado que forma parte
de la sección de control se le conoce comúnmente como "Quad Comparator" es fabricado por
Motorola, Sanyo y Fairchild. Es un integrado formado por un conjunto de puertas lógicas que se
encarga de asegurar el suministro de cuatro tensiones independientes para que la fuente funcione
dentro de un rango de voltaje 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 asegurar que los rangos de voltajes que
trabaja la fuente no varíen por encima del máximo ni por debajo del mínimo apropiados.
Las patas 1, 2, 13 y 14 permiten la salida de los voltajes regulados. Se puede usar la Pata 14 como
referencia de funcionamiento del integrado. Regularmente allí (en la pata 14) podemos medir a la
tensión PG en la mayoría de los diseños de fuentes reguladas, de todas maneras es conveniente que
se asegure leyendo atentamente el plano de la fuente antes de dar por seguro que la tensión PG en el
LM339 está en la Pata 14.
Existen varios modelos de integrados (todos de 14 patas), que pueden estar reemplazando al LM339:
LM339A, LM239, LM239A, LM2901, M2901V, MC3302, LM3302.
Se debe tener especial cuidado en las mediciones con las fuentes que usan los integrados MC3302 o
LM3302 porque trabajan con tensiones ligeramente inferiores de +2 volts a +28 volts. Normalmente
los diseños igualmente contemplan la salida por las patas 1, 2, 13 y 14, pero es conveniente
asegurarse mediante el plano de diseño los voltajes de referencia.
Muchas fuentes actuales reemplazan el LM339 por el TP53510P en sus diseños. Este integrado es
mucho más pequeño y contiene sólo 8 patas. Es fabricado por Texas Instruments y Burr-Brown.
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El TP53510P cumple la misma función que el LM339, pero a diferencia de éste que entrega cuatro
tensiones reguladas, el TP53510P entrega sólo una tensión regulada por la Pata 6. Esto les permite a
los fabricantes disminuir los costos en la fabricación de fuentes, ya que la fuente sólo regula una
tensión y con simples diseños derivadores se pueden obtener el resto de las tensiones necesarias. Por
supuesto, el TP53510P contempla intensidades de corrientes mayores que las que opera el LM339
individualmente para cada pata.
La consecuencia del mal funcionamiento del Quad Comparator o del TP53510P es que la fuente es
incapaz de mantener un rango de voltaje apropiado y sale de los parámetros normales. Normalmente
esto se manifiesta con carga o sobrecarga de trabajo y las tensiones caen por debajo de los valores
normales.
Al fallar estos integrados, la puesta en marcha de la fuente denota un funcionamiento normal y
voltajes apropiados, pero ante sobre exigencia de consumo las tensiones caen por debajo de sus
rangos.
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