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 tema principal de esta seriede notas que servirá a los técnicos electrónicos y a los estudiantes de reparación decomputadoras una serie de conocimientos básicos que le serán de provecho en su prácticaprofesional al situarlos correctamente en el contexto de funcionamiento de las fuentes dealimentación 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 conocercada una de las etapas que la componen y su funcionamiento intrínseco con el objeto depoder 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 eltécnico reparador debe analizar y corregir en su funcionalidad. Hacerlo de otra manera,implicaría emplear una gran cantidad de tiempo sólo  para detectar componentes dañados ono fiables en toda la placa, lo que tornaría el trabajo de reparación inviable económicamentepara 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 sonlos que dominan la parte teórica lo suficientemente bien como para aplicarla a la práctica dela manera correcta.

Para proceder a la reparación de la fuente un técnico debe conocer sólidamente el uso delmultímetro analógico y digital y tener un buen conocimiento de mediciones electrónicas decomponentes. En esta misma web habilitaré próximamente notas graficas y fotográficas sobreuso del multímetro y mediciones de componentes electrónicos. Sin estos conocimientosmínimos el técnico reparador no debería ni intentar reparar una fuente de alimentación, espor ello que los conocimientos de electrónica práctica se dan por sobre-entendidos enaquellos técnicos que quieren aprender a detectar y reparar fuentes de alimentaciónconmutadas.

Todos los principios fundamentales que veremos en esta serie de notas son aplicables (conalgunas modificaciones básicas) a fuentes de alimentación de impresoras, escáners ymonitores 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 establecidapor normas para el propósito general de transporte y alimentación de las ciudades. Esaalternancia es una oscilación que hace que la corriente entre en un sentido y el otro en unafrecuencia determinada en ciclos por segundo o Hertzs. La frecuencia estandar es de 50-60hertz (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 esaoscilación (conocida como corriente alterna) permitiendo que la corrieinte entre en un sólosentido (corriente contínua)La fuente recibe corriente domiciliaria de alto voltaje (110 / 220 volts) y está preparada parasuprimir la oscilación en primer lugar, mejorar la frecuencia en hertz para conseguir un flujode corriente constante con pocas variaciones bruscas y luego reducir el valor del voltaje a unatensión que sea adecuada para los componentes electrónicos, que va del orden de los -12volts a los +12 voltsLos 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 curvade 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 secargan durante los picos de tensión que reciben de los diodos durante esos picos decorriente y los almacenan para liberarlos durante los huecos y darle continuidad al flujo decorriente

Las fuentes de tipo ATX no trabajan con llave de interrupción directa que permita cortar elflujo 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 verificadoscomo OK.

En una fuente ATX el apagado no implica que deja de recibir corriente. La etapa primariacontinua trabajando y la etapa secundaria entrega +3,3volts y +5Volts. El resto de lastensiones quedan en estado de stand-by. La motherboard, ante la pulsación del botón deencendido o mediante una señal de "wake-on" vía Power Management (modem o red), envíauna orden de encendido completo que permite funcionar a pleno la etapa secundaria paraentregar todas las tensiones requeridas.

La únicas fuentes ATX que pueden detener su funcionamiento por completo son las quetienen un interruptor en la parte trasera que las apaga de manera definitiva y no puedenre-encenderse con la pulsación del botón ni con señales “wake-on”. Es importante para eltécnico conocer este detalle porque sin protección vía UPS o estabilizador, las fuentes ATX sonsuceptibles a problemas eléctricos de la red domiciliaria mientras estén conectadas a la redeléctrica. 

Clásicamente, para su estudio y reparación, se divide a la fuente en dos etapas clasicas: laprimaria y la secundaria.

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A los fines de reparación técnica, esa división clásica resulta insuficiente, es por eso que ennuestras aulas dividimos la fuente de alimentación en distintas sub-secciones quenombraremos a continuación y posteriormente analizaremos detenidamente en las leccionessubsiguientes.

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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 untermistor, que se reconoce fácilmente por su color verde (semejante a una lenteja). Enocasiones el termistor es reemplazado por una resistencia de 0,2 o 0,4 ohms. En estasección el fusible protege a toda la fuente si hay un voltaje excesivo proveniente de la reddomiciliaria 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 detemperatura. Su función en esta etapa de la fuente es disminuir la resistencia permitiendo laentrada 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 tienepor supuesto un límite, que dependerá de la medida del termistor y del límite impuesto porel 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 loscapacitores electrolíticos, componentes de la etapa rectificadora y filtro de entrada (ver másadelante).

El termistor es un componente muy resistente a las averías pero de todas maneras puedefallar, quemándose o cortándose. Frecuentemente el deterioro se evidencia porque elcomponente directamente se parte o pierde parte de su cubierta, situación que secomprueba 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 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[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 unintegrado llamado comúnmente "puente de diodos". A los cuatro diodos se le llama "puenterectificador". La función de esta etapa es convertir la onda alterna de corriente que viene dela 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. Sidesde la red domiciliaria se reciben 220 volts, a la salida del puente rectificador se obtienenaproximadamente 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 por estudiantescon un transistor de potencia. En realidad es un conjunto de cuatro diodos agrupados en unencapsulado que se conoce comunmente como "puente de diodos" o "puente rectificador". Adiferencia de un transistor, tiene 4 patas que deben medirse consecutivamente como diodosagrupados 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 corrientealterna). Esta etapa convierte esa onda en una señal contínua que siempre será positiva parauno 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 quees sumamente irregular, con picos máximos y mínimos muy bruscos. En estas condicionesun equipo electrónico no puede trabajar correctamente. Esos picos y caídas reciben elnombre 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 decapacitores electrolíticos de gran tamaño que se encargan de filtrar o eliminar el rizado dela 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 descargaregulada evita el deterioro de estos capacitores.

La idea de esta sección es obtener una señal casi contínua, aprovechando las propiedadesde los capacitores de almacenar la electricidad y entregarla de una manera regulada en elmomento que sea necesaria. A los capacitores se los llama comúnmente "filtros" yjustamente se comportan como una batería-reguladora de corriente que funciona mientrashay 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 loscapacitores, la sección entrega una onda mucho más regular, con menos altibajos. Lasección se comporta como un "filtro grueso" de corriente que intenta eliminar lairregularidad 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 parapoder 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 secciónConmutadora (o Switching en inglés), puede esar formada por dos o más transistores depotencia y sus correspondientes disipadores, así como por una pequeña cantidad decomponentes de menor tamaño.

La función principal de estos transistores de potencia es convertir la señal proveniente de loscapacitores electrolíticos de gran tamaño de la etapa anterior en una señal de mayorfrecuencia. La red domiciliaria entrega una señal de unos 50 hertz y en esa condición llega aestos transistores.

Después de todo el tratamiento previo, tenemos una señal pulsante que entrega un flujo decorriente entrecortado, con picos máximos y valles mínimos. Una corriente sumamenteirregular. Esta corriente pulsante tiene una frecuencia de 50 hertz y la función de la línea detransistores 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. Alaumentar la frecuencia del pulso, el efecto práctico es que el flujo eléctrico se "regulariza" porese incremento de la frecuencia. El efecto es muy parecido al de un bache en el pavimentorespecto a cómo repercute en al impacto del neumático. Antes de que quede perplejo con esteejemplo, 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 genere un impactobrutal que golpea al vehículo con fuerza. Pero si ese hueco de un metro de longitud estuvieradividido en huecos pequeños de 5 centímetros cada uno, el neumático pasaría sin dificultadtodos los huecos hasta completar el metro y el vehículo prácticamente no sentiría más que unapequeña vibración.

El principio eléctrico es el mismo: el pulso de 50 hertz genera un rizado de la señal querepercute electrónicamente porque envía "oleadas irregulares" de corriente eléctrica, con picosy valles profundos. Un oleaje irregular de corriente pulsante no sirve para equiposelectrónicos. Los transistores aumentan la frecuencia y la consecuencia más importante deeste aumento de frecuencia es que no solamente se acorta la distancia temporal del oleajeeléctrico entre picos y valles, sino que la diferencia entre máximos y mínimos también seacorta.

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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 deuna 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 contínuaque no tiene ningún efecto al ser aplicada al primario de un transformador. Es por eso quetambién estos transistores convierten nuevamente la señal en alterna pero comomencionamos, con una frecuencia mucho mayor.

Estos transistores elevan notablemente su temperatura durante su función, por lo que siemprese 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 locomún es encontrar la goma.

La función de la goma disipadora y de la grasa siliconada es aumentar la transferencia térmicadel calor entre el transistor y el aluminio. La goma no cumple la función tan eficientementecomo la grasa, pero se coloca igualmente porque mantiene al transistor aislado y antecualquier problema del circuito que lleve al aluminio a recibir alguna carga eléctrica por algúncorto, se preserva la integridad del transistor. Del mismo modo, cualquier problema de algunode los transistores no se propaga por el disipador al resto del circuito.

Los transistores de potencia normalmente tienen asociados a ellos conjuntos de resistenciasque normalmente rondan los 2 ohms, diodos de tamaño pequeño, capacitores electrolíticos dealrededor de 2 microfaradios y en ocasiones algunas resistencias de 200 a 350 Kohms. Todosestos componentes suelen encontrarse entre la línea de transistores y la linea detransformadores o choppers de la siguiente etapa.

En esta sección también se encuentran dos componentes que difícilmente se quemen (no es lomás habitual): un capacitor cerámico de gran tamaño y una resistencia de gran tamaño, perode bajo valor que ronda unos 40 a 41 ohms. Si bien es difícil que se quemen aún encondiciones 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 etapaconmutadora le entrega a los transformadores la corriente eléctrica para que a través de losbobinados 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 secciónanterior, deberá procesarse en esta área para reducir su voltaje.

Los transformadores de esta sección se llaman "choppers" y por lo general forman una líneade tres elementos. Por lo regular el transformador de mayor tamaño suele tener más de unbobinado, por lo que devuelve varios voltajes.

Obviamente la línea de transformadores también cumple la función de aislar las etapasPrimaria y Secundaria de la fuente, al separarlas eléctricamente y dividiendo la Etapa Primariaque opera con tensiones altas de la Etapa Secundaria, que trabaja con voltajes bajos.Recuerde que como cualquier bobinado, en estos transformadores se mantienen aislados losprimarios de los secundarios que interactúan por inducción magnética para crear lascorrientes 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 lapráctica está en el límite de las dos Etapas Principales de la fuente de alimentaciónconmutada.

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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 unacorriente alterna, que nuevamente debe ser procesada para ser llevada a contínua. Esteproceso es llevado a cabo por otra línea de transistores de potencia que suelen asociarsecon diodos de gran tamaño que se conocen comunmente como "doble diodo" o "diodos depotencia".

Al salir de esta etapa, la señal es nuevamente contínua y regular, al punto de estar casicompletamente 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 usancapacitores electrolíticos y bobinas que tengan una mejor respuesta en el manejo decorrientes cercanas a los 12 a 15 amperes. Es por eso que pueden apreciarse capacitores unpoco 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 laetapa anterior no alcanzan a tener un tiempo de recuperación apropiado para enviar unacorriente contínua pura sin oscilaciones. El conjunto de capacitores y bobinas de estasección permite complementar esa tarea y lograr una salida contínua perfecta para elsistema.

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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 dela fuente. El trabajo es asumido por dos integrados: el TL494 y el LM339. En muchos modelosde fuente el LM339 es reemplazado por el TP53510P. Vemos a continuación la funcionalidadde 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. Enlas fuentes de tipo PWM (Pulse With Modulation o Modulación por Ancho de Pulso), lastensiones de los secundarios de los transformadores son proporcionales al ancho del pulsodel oscilador. De tal manera que al regular el ancho del pulso, se puede regular las tensionesde salida de los secundarios de los transformadores.

El 494 regula la velocidad de conmutación de los transistores switching, de acuerdo a lacorriente que se requiera de la fuente en un momento dado. Es decir que es el integradoresponsable de la respuesta dinámica de la fuente.  

Esta sección de la fuente tiene una señal de referencia denominada "Power Good" (o "TensiónPG). La tensión PG es una señal de referencia para el técnico reparador que le indica si todofunciona 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. Estoquiere decir que al medirla, el técnico debe detectar entre +4,75 volts a +5,25 volts. Fuerade 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 todomarcha correctamente. Es necesario medirla en condiciones de exigencia, vale decir que nosolamente se pone a funcionar la fuente sino que se la somete a trabajo. Normalmente sepuede probar con un foco de +12 volts y 40 watts, pero adicionalmente recomiendo tambiénconectarle una unidad de disco rigido y una unidad de CD/DVD para someterla a una mayorexigencia. Obviamente las unidades de disco rígido y de CD/DVD estarán expuestas ariesgos, por lo que se recomienda que sean propiedad del técnico y que formen parte delequipo 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 unasobrecarga, un corto circuito o una mala conexión, su valor suele descender a 0 volts. Estaseñal es la referencia de la fuente y la motherboard en caso de detectar problemas porvariaciones 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 partede la sección de control se le conoce comúnmente como "Quad Comparator" es fabricado porMotorola, Sanyo y Fairchild. Es un integrado formado por un conjunto de puertas lógicas que seencarga de asegurar el suministro de cuatro tensiones independientes para que la fuente funcionedentro 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 deldiseño interno de la fuente. Vale decir que su función es asegurar que los rangos de voltajes quetrabaja 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 comoreferencia de funcionamiento del integrado. Regularmente allí (en la pata 14) podemos medir a latensión PG en la mayoría de los diseños de fuentes reguladas, de todas maneras es conveniente quese asegure leyendo atentamente el plano de la fuente antes de dar por seguro que la tensión PG en elLM339 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 oLM3302 porque trabajan con tensiones ligeramente inferiores de +2 volts a +28 volts. Normalmentelos diseños igualmente contemplan la salida por las patas 1, 2, 13 y 14, pero es convenienteasegurarse mediante el plano de diseño los voltajes de referencia.

Muchas fuentes actuales reemplazan el LM339 por el TP53510P en sus diseños. Este integrado esmucho 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 cuatrotensiones reguladas, el TP53510P entrega sólo una tensión regulada por la Pata 6. Esto les permite alos fabricantes disminuir los costos en la fabricación de fuentes, ya que la fuente sólo regula unatensión y con simples diseños derivadores se pueden obtener el resto de las tensiones necesarias. Porsupuesto, el TP53510P contempla intensidades de corrientes mayores que las que opera el LM339individualmente para cada pata.

La consecuencia del mal funcionamiento del Quad Comparator o del TP53510P es que la fuente esincapaz de mantener un rango de voltaje apropiado y sale de los parámetros normales. Normalmenteesto se manifiesta con carga o sobrecarga de trabajo y las tensiones caen por debajo de los valoresnormales.

Al fallar estos integrados, la puesta en marcha de la fuente denota un funcionamiento normal yvoltajes apropiados, pero ante sobre exigencia de consumo las tensiones caen por debajo de susrangos.

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