Comprobar condensadores electrolíticos (ESR).

Samsung LE26R86BD

En esta entrada del blog se muestra una reparación sencilla de una TV de Samsung, modelo LE26R86BD, con un fallo muy común en muchos equipos electrónicos, el deterioro de los condensadores electrolíticos por incremento de su ESR (resistencia interna del condensador).

En el siguiente vídeo vemos una televisión, que una vez conectada a los 220V de la red eléctrica tarda varios minutos en empezar a funcionar, reseteandose varias veces hasta que se enciende y entra en un funcionamiento normal. Si tienes un equipo con una falla similar, es posible que estés ante el mismo problema que aquí se va a mostrar.

En los minutos del vídeo que el televisor necesita para empezar a funcionar, se produce un incremento de la temperatura de los componentes internos del televisor, este incremento se debe a la potencia disipada por los distintos componentes electrónicos del televisor al recibir alimentación.

Por lo general todos los componentes electrónicos son sensibles en mayor o menor medida a la temperatura, teniendo todos ellos una temperatura máxima y mínima dentro de las que pueden funcionar correctamente, temperaturas que si el equipo está diseñado correctamente nunca se van a exceder en condiciones de uso normales.

En este caso estamos ante un componente deteriorado, que con un incremento de su temperatura, hace que el televisor vuelva a funcionar de manera “normal”.

Por lo que toca abrir el televisor y ver lo que hay dentro. Si no tienes conocimientos de electrónica no abras nunca un equipo conectado a 220 V, ya que corres el riesgo de sufrir una descarga eléctrica. Aunque un equipo a 220 V esté desconetado de la red, puede haber elementos dentro de él que se mantienen cargados con cientos o miles de voltios, que se han de descargar correctamente antes de manipular el equipo.

Interior de Samsung LE26R86BD

Podemos ver las 3 placas principales del televisor: inverter, fuente de alimentación y placa principal.

En la imagen superior vemos las 3 placas principales del televisor, de izquierda a derecha: inverter, fuente de alimentación y la placa principal. Las tres tienen cientos de componentes colocados en ambas caras de las placas, lo primero es hacer una inspección visual del equipo a reparar, a ver si se ve algún componente quemado, soldadura defectuosa, etc.. y si se ve todo bien y en función del tipo de fallo del equipo, lo habitual suele ser empezar comprobando las salidas de la fuente de alimentación.

En este caso y viendo los síntomas (un equipo que se reinicia, necesita calentarse o tarda en empezar a funcionar) describo los pasos a seguir para buscar la avería, no suelo reparar televisores, por lo que una persona con más experiencia en esto probablemente lo haría de otra forma distinta.

Lo primero suele ser comprobar la entrada de la fuente de alimentación, y ver que detrás del puente de diodos tenemos los 220 V rectificados.

Entrada fuente de alimentación.

NTC en la entrada fuente de alimentación.

En la imagen superior podemos ver los elementos típicos en la entrada de una fuente de alimentación conmutada, de derecha a izquierda: varistor, resistencia de descarga de condensadores, fusible, 4 condensadores en azul de tipo X e Y y bobinas de filtro, que junto a los condensadores anteriores forman el filtro para el ruido/emisiones en modo común y diferencial. Abajo en el centro de color gris y con forma de circulo tenemos el NTC, y el integrado a la izquierda en vertical con un disipador es el puente de diodos, que se encarga de rectificar los 220 de alterna.

El NTC es una resistencia variable con la temperatura, que disminuye su resistencia según se va calentando debido al paso de la corriente por ella, y se usa para limitar el pico de corriente que se produciría si no estuviera al conectar el equipo a 220V con los condensadores totalmente descargados. En este caso para comprobar que el NTC funciona correctamente, medimos la tensión en alterna que cae en él cuando conectamos el equipo a la red, viendo que está bien al tener una tensión inferior a 1V entre sus bornes.

Salida fuente de alimentación.

Conector con las salidas de la fuente de alimentación.

La fuente de alimentación tiene varias tensiones de salida (24 V, 13V, 12V, 5V, etc..) que alimentan a las distintas partes del equipo, estas tensiones las encontramos en uno o varios conectores. En la imagen superior arriba a la derecha vemos el cable que va al conector de salida de la fuente, en la serigrafía del PCB encontramos que voltaje de salida tiene que haber en cada uno de lo pines del conector, por lo que pasamos a medir los distintos pines del conector, viendo que todos los voltajes se corresponden con lo indicado en la serigrafía.

Los voltajes de salida de la fuente están bien, los condensadores electrolíticos de la fuente no están abollados por arriba ni tienen líquido/manchas alrededor (signos de condensador defectuoso), por lo que en principio la fuente parece estar bien, y hay que ir a mirar la placa principal.

Placa principal del televisor.

Placa principal del televisor.

A la derecha de la imagen tenemos la placa principal del televisor, a simple vista no se ve ningún componente, conector, soldadura o condensador defectuso.

En este caso estamos buscando un componente que funciona “correctamente” cuando se calienta, por lo que la primera suposición a hacer es que se trata de un condensador electrolítico defectuoso (como explicaré más adelante). Aquí no tenemos conectores serigrafiados donde ver tensiones como en el caso de la fuente, y sin tener un esquema y a no ser que te dediques a reparar este tipo de equipos, puede ser complicado saber donde medir y qué medir. Por lo que en principio y dado el fallo que tenemos, la prueba es coger un secador de pelo, calentar durante unos segundos distintas zonas de la placa y enceder el equipo a ver si se resuelve el problema.

Los primeros condensadores que llaman la atención, y es la zona donde va a estar el problema, son los condensadores que se ven en la imagen inferior.

Condensadores debajo del shield

Condensadores electrolíticos debajo del escudo.

Si miramos a través de los agujeros de la chapita que se ven en la imagen superior, podemos ver dos condensadores electrolíticos pegados a ella. Cuando vemos una chapa así en un PCB, suele tener dos funciones: aislar a la electrónica que hay dentro de las emisiones electromagnéticas (que puedan entrar y salir) y hacer de disipador del calor para los componentes que tenemos debajo.

Así que cogemos el secador de pelo, calentamos durante unos segundos esa zona de la chapa, conectamos el televisor a la alimentación y este funciona correctamente. Por lo que el problema lo tenemos en esta zona del PCB y por tanto toca desoldar esa chapa (que va soldada a la referencia de 0 V del PCB en varios puntos) y ver lo que hay debajo.

Condensadores debajop del shield.

Componentes bajo el escudo.

Al levantar la chapa vemos los componentes que se encuentran debajo de ella: varios integrados, cristales y componentes pasivos. No observamos ningún componente o condenasdor que a simple vista tenga signos de estar defectuoso.

A la derecha de la imagen, en la parte que queda entre la chapa y el PCB, vemos dos cuadrados de un material gris, con una grasa/aceite sobre su superficie, misma grasa que podemos observar en dos integrados del PCB. Ese material gris es un conductor térmico que conecta los integrados de los que queremos sacar calor con la chapa metálica, chapa que hace la función de disipador, la grasa va entre el integrado del que queremos sacar calor y el material gris conductor del calor, para evitar los posibles espacios de aire que puedan quedar entre los dos.

Pero de la imagen anterior nos tenemos que quedar con que tenemos dos condensadores electrolíticos de 1000 uF, situados cerca de un componente que se va a calentar (el componente que está bajo el cuadrado gris grande de la chapa) y que por tanto los condensadores van a estar junto a una fuente de calor (aunque esté conectada a un disipador va a haber un diferencia de temperaturas a lo largo de este).

Esos dos condensadores son los componentes defectuosos que están provocando que la televisión no se encienda correctamente, en el momento que los cambiemos la televisión vuelve a funcionar correctamente.

Condensadores defectuosos

C1110 y C1177 condensadores defectuosos.

En la imagen superior vemos a C1110 y C1177 (condensadores con una raya negra de 1000 uF) que a simple vista no muestran ningún signo de estar defectuosos, pero que si los desoldamos y los medimos veremos que si lo están. Los condensadores de la raya negra por lo general suelen ser del tipo de electrólito líquido, mientras que los condensadores con la raya rosa suelen tener un electrólito sólido, sus características eléctricas son distintas, teniendo estos últimos por lo general una vida más larga.

Para comprobar los condensadores los sacamos del PCB y los medimos, si no los sacamos del PCB al estar los condensadores en paralelo con otros componentes del circuito, podemos obtener mediciones erróneas.

Un condensador internamente sería como se ve en la siguiente imagen.

Modelo condensador.

Condensador real.

En este caso y para este post del blog solo nos interesa hablar de la capacidad del condensador (C en la imagen superior) y de la resistencia en serie del condensador (ESR en la imagen superior). La ESR es la resistencia interna del condensador, es como si internamente el condensador tuviera una pequeña resistencia en serie con él, resistencia que va a generar una caída de tensión y calor dentro del condensador cada vez que éste se cargue o proporcione un pico de corriente al circuito, cuanto mayor sea la ESR menor valor máximo de corriente instántanea podrá proporcionar el condensador al circuito, y más se va a calentar el condensador internamente por la potencia que disipa esta resistencia al pasar la corriente por ella.

Para medir los condensadores voy a usar un medidor de ESR de Peak electronic design que nos permite medir la capacidad y la ESR del condensador, y es la forma de saber con certeza si el condensador está bien ya que con un multímetro digital podemos ver la capacidad, si está abierto o en corto, pero no la ESR del condensador. Por lo que a la hora de reparar equipos electrónicos este medidor es un elemento fundamental, ya que es la única forma de saber sin irnos a equipos más caros si los condensadores se encuentran en buen estado. He puesto el enlace a Amazon, pero si se va a comprar buscad el medidor en Mouser, Farnell y Digikey, ya que en Amazon los precios se mueven bastante.

Primero medimos un condensador nuevo de las mismas características de los condensadores que vamos a quitar (y que usaremos para sustituirlos) para ver que capacidad y ESR obtenemos.

Condensador nuevo

Medición de condensador nuevo.

Midiendo un condensador nuevo de capacidad 1000 uF (tolerancia 20%), obtenemos una capacidad de 1080 uF y una ESR de 0.1 ohmios, que están dentro de los valores esperados. Ahora desoldamos los condensadores que creemos que están defectuosos del PCB y realizamos la misma medida.

Condensador pcb

Condensador desoldado del PCB.

Medimos uno de los condensadores que hemos desoldado de la placa principal, medimos una capacidad de 900 uF, que está dentro de las especificaciones del condensador con tolerancia 20%, y una ESR de 0.28 ohmios que aunque esté un poco por encima de los valores máximos de ESR que indicará el datasheet del condensador, probablemente en este caso no sea la causa del fallo que vemos en el equipo.

Condensador 2

Condensador desoldado del PCB.

Al medir el segundo condensador que desoldamos del televisor, encontramos que la capacidad está dentro de lo especificado para la tolerancia del condensador, pero encontramos una ESR muy alta, que va a ser un problema para el funcionamiento del equipo y es la causa del fallo que encontramos en este televisor.

¿Y cómo afecta una ESR alta en el funcionamiento del circuito? esos dos condensadores que hemos quitado están junto a una bobina, y por la otra cara del PCB justo debajo de ellos encontramos un integrado MP1583, que es un conversor DC-DC que en este caso convierte 5V de entrada a 3.3V de salida, tensión que necesitan los integrados de esa parte del circuito para funcionar. La tensión de entrada que admite según su datasheet tiene que estar entre 4.75V y 23V, puede dar hasta 3A de corriente de salida y tiene una frecuencia de trabajo de 385 KHz.

Por lo que estos dos condensadores se corresponden con el condensador de entrada y el condensador de salida que necesita este DC-DC para funcionar, si ponemos un osciloscopio en el condensador de entrada vemos la siguiente señal.

Señal condensador de entrada

Osciloscopio en el condensador de entrada del DC-DC.

Una señal de corriente continua de 5V, tensión que llega a la entrada del DC-DC con un rizado de casi 4V pico a pico (a 385 KHz, frecuencia de conmutación del DC-DC). Rizado sobre la tensión de 5V que hace que la entrada al DC-DC baje por debajo de los 4.75V que nos indica el datasheet para su correcto funcionamiento, y que casi seguro va a ser la causa de nuestro problema, el DC-DC tiene también un pin de Enable conectado a esos 5V que apaga el DC-DC si esa tensión baja de 0.9V el tiempo suficiente.

Y digo casi seguro porque no me paré a ver estas señales con detalle ya que no tenía intención de preparar este post (comento las razones de hacerlo al final del post). Guardé solo esta captura de casualidad ya que tenía el osciloscopio a mano después de haber medido las distintas tensiones de la fuente de alimentación (y estaba con la sonda diferencial puesta), en esa captura no recuerdo en que momento de temperatura el condensador está, y en que modo estaba el osciloscopio. Por lo que para volver a ver esto bien y estar al 100% seguro de lo que hablo debería volver a tener el equipo con la avería, pero vamos que casi seguro que el problema es por este valor de rizado.

En un DC-DC el valor de la tensión de rizado de la entrada y salida del DC-DC, depende de la capacidad y ESR de los condensadores que ponemos en su entrada y salida (además de los picos de corriente que requiera la carga). A mayor capacidad y menor ESR menor será el rizado que veremos sobre la señal continua. Por ejemplo, un  condensador está cargado a una tensión en bornes de 5V, tiene una ESR de 1 Ohmio, y tiene que proporcionar un pico de corriente de 1A, su tensión en bornes caerá en ese instánte al inicio de la descarga a 4V debido a la tensión que cae en la ESR interna. Si su ESR en lugar de 1 Ohmio es de 0.1, la tensión en el caso anterior caería a 4.9V

Si la ESR del condensador es muy alta, vamos a tener un rizado sobre la tensión continua muy alto, que puede afectar al funcionamiento de las distintas partes del circuito. Además de que dicho condensador se empezará a calentar, degrandandose cada vez más hasta físicamente romperse.

¿Y cómo afecta un incremento de temperatura en el condensador a su capacidad y ESR?. Si hacemos la prueba de calentar el condensador anterior, en el que mediamos una ESR de 8 Ohmios, y una vez caliente medimos de nuevo su capacidad y ESR obtenemos el siguiente resultado.

Condensador defectuoso

Al calentarse el condensador defectuoso cambia su ESR y capacidad.

Al calentarse el condensador defectuoso, vemos como el valor de capacidad aumenta y el valor de ESR disminuye a valores cercanos a los de un condensador en buen estado.

La capacidad de un condensador y su ESR (además de otros parámetros) dependen de la temperatura a la que se encuentra el condensador, y por tanto una vez que se enciende la televisión y ese condensador defectuoso empieza a calentarse disminuyendo su ESR, el equipo comienza a funcionar. Cambiando esos dos condensadores (uno defectuoso y el otro ligeramente defectuoso) tenemos el fallo resuelto y la televisión reparada.

El proceso o los pasos anteriores son los que haría una persona que sabe electrónica a la hora de reparar un equipo, pensar y analizar y no ponerse a desoldar y probar todos los componentes, y en este caso no fueron los pasos que tomé..

Era domingo por la tarde, un amigo me había traido su televisión que no funciona desde hace tiempo e iba a tirar… Lo primero que hice fue meter el modelo de televisión en youtube y encontrarme con este vídeo.

Mismo modelo te televisión, mismo problema y sin entender lo que dice en el vídeo probe a calentar dichos condensadores y ver que la televisión encendía correctamente. Medí la salida de la fuente para ver que aquí no había problema, desoldé la chapa, miré lo que había alrededor de los dos condensadores, los cambié, volví a montarlo todo y devolví la televisión arreglada a su propietario.

En un ratito el problema resuelto, de aquí que no me parase a analizar el problema a nivel de señal y no tenga las capturas fiables del osciloscopio. Como norma general si suelo fotografiar los PCBs de todo equipo que desmonto, ya que con las fotos veo como va todo montado y conectado a la hora de volver a montarlo.

Eso si esa noche me fui a la cama pensando en esos dos condensadores, en haber metido el modelo de televisión en youtube y encontrar un solo vídeo del televisor con justo el mismo problema, y pensar en las posibles decisiones de diseño para poner esos condensadores justo ahí, encerrados en una caja metálica y al lado de un elemento que a primera vista necesita un disipador y por tanto va a generar calor, ya que la vida útil de un condensador (y por tanto la vida útil de este equipo) depende de la temperatura a la que dichos condensadores trabajen.

En un diseño a la hora de colocar los condensadores electrolíticos en el PCB, la primera consideración es ponerlos lo más alejados posibles de los elementos que vayan a generar calor, intentando que trabajen a la menor temperatura posbile. Por lo general en este tipo de condensadores su vida útil se dobla por cada 10 grados que se reduzca su temperatura de trabajo, es decir si por ejemplo estos condensadores tienen una vida útil de 4 años (por poner un número) trabajando a 65 grados, si en lugar de a 65 grados trabajasen a 55 grados, su vida útil pasaría de 4 años a 8 años.

Apostaría a que estos condensadores son los primeros en caer en esta televisión, y cambiando su ubicación se alargaría unos años la vida útil de este televisor, televisor que pasados unos años y en el momento que se rompa acabará en un contenedor, ya que costará más la reparación que comprar un televisor similar de segunda mano, y es una pena tirar un televisor que se ve y se oye bien (generando el desecho electrónico correspondiente) por dos condensadores que cuestan 30 céntimos.

¿Quizás la ubicación de estos dos condensadores en el equipo sea correcta, y ponerlos en otro sitio no alargue notablemente el tiempo de vida de la televisión antes de tener que someterse a una primera reparación (que en muchos casos suele ser equivalente a tirar un equipo económico que tenga ya unos años para comprar otro más nuevo)?

¿Quizás la ubicación de estos dos condensadores atiendan a criterios de costes de diseño y manufactura, proporcionando una relación óptima entre costes y tiempo de vida esperado del equipo?

¿Quizás la otra noche vi un documental que se llamaba obsolescencia programada? aunque dudo que este sea el caso.

Por las cuestiones anteriores escribo este post, y abro los comentarios para ver si hay suerte y leo otras opiniones sobre las preguntas anteriores, de gente que tenga experiencia reparando o diseñando electrónica de consumo.

 

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