El misterioso caso de la corriente de fuga aleatoria

Descargo de responsabilidad: ya conozco la solución de este enigma de depuración de circuitos (y no es trivial), ¡y lo publicaré después de algún tiempo, para que otras personas puedan dar su contribución a esta misteriosa historia! ¡Creo que puede tener algún valor educativo para los diseñadores de circuitos!

Hace algunos años (~ 8, IIRC) me encontré con una oferta especial muy interesante en una tienda general local: algunos muy buenos (así que pensé) aparatos de luz LED Osram DOT-IT a mitad de precio.

Como puede ver, eran pequeños electrodomésticos, alimentados por tres baterías AAA, encerrando tres LED blancos muy brillantes. Todo se encendió a través de un interruptor suave accionado presionando el domo transparente. En la primera pulsación, los tres LED se encenderían, y en cada pulsación posterior se apagaría uno de los LED. Por lo tanto, podría tener la posibilidad de elegir la cantidad de luz que produciría el electrodoméstico. La carcasa exterior, además de la cúpula de plástico transparente, era de aluminio anodizado muy fuerte, y la cubierta posterior era de plástico con un imán fuerte, lo que permitía pegar la cosa en el refrigerador, la carrocería del automóvil o cualquier superficie metálica adecuada que desee.

Dado que en ese momento la iluminación LED era muy cara aquí en Italia, y pequeños aparatos como esos eran monstruosamente caros o totalmente malos, pensé que era una muy buena idea comprar una docena de ellos (primero probé con solo una unidad, y yo verificado que hizo una luz muy fuerte y era de muy alta calidad). Tenía la intención de usarlos como luces de emergencia en todas las habitaciones de mi casa y en mi automóvil.

Todo estuvo bien hasta que ocurrió un breve apagón después de unos 6 meses. Para mi gran decepción, ¡aproximadamente 10 de 12 de las cosas tenían sus baterías agotadas!

Por supuesto, mi primer pensamiento fue "interruptor suave con fugas de mierda" y ¡corrí por mi microamperímetro! Efectivamente, encontré un par de unidades que tenían corrientes de fuga excesivamente altas (~ 1 mA), pero las otras tenían una ~ 20 μA bastante honesta. Estaba perplejo.

Reemplacé todas las baterías en las de baja fuga y decidí intentarlo de nuevo.

Después de un par de meses, sorpresa, ¡fallaron nuevamente! Volví a medir la fuga y obtuve resultados diferentes. Algunas unidades lucían la terrible fuga de ~ 1 mA, mientras que otras eran "normales". Además, volví a probar las dos unidades que originalmente mostraban una gran fuga y ... ¡ya no se filtraron!

Estaba harto y como no tenía más tiempo que perder en el tema en ese momento, los descarté todos, los puse en una caja de basura (después de todo, tenían tres LED blancos agradables y caros, y planeé rescatarlos) y se olvidó de ellos.

Los volví a encontrar hace un par de semanas y, en un frenesí de reorganización, pensé en desmontar las unidades y recuperar los LED. Entonces descubrí que el circuito interno era una pequeña PCB que contenía solo un interruptor momentáneo, los LED, un chip controlador y una tapa. El PCB se muestra en las fotos a continuación (por curiosidad intenté encontrar una hoja de datos para ese chip controlador, pero sin suerte).

Probé los PCB nuevamente, solo por diversión, y todavía obtuve el comportamiento de fuga errático que había observado antes, pero en el proceso finalmente descubrí al culpable.

¡Adivina cuál fue la causa de esa fuga aleatoria y errática!

Sospecho que algo tiene que ver con el imán fuerte (no lo habría sospechado, excepto que debe ser una respuesta interesante o no habría planteado la pregunta). Quizás tener el campo magnético induce una corriente en un bucle en alguna parte. ¿Fue mayor la fuga cuando había más área entre los cables que se conectaban a la batería? O podría ser una corriente en algún otro bucle.

Aquí está el resumen de mis investigaciones y mis hallazgos sobre el misterioso caso de la corriente de fuga aleatoria.

Cuando comencé a desmantelar las unidades, también sentí curiosidad y quise investigar una causa racional para ese extraño comportamiento. No tuve suerte hasta que casi inadvertidamente moví el imán cerca de una PCB encendida. El amperímetro saltó a aproximadamente 2 mA y se estabilizó a un valor ligeramente inferior.

Al principio pensé que era solo un efecto mecánico debido a mi manejo de la PCB, pero después de varias pruebas verifiqué que había una clara correlación entre mover el imán cerca de la PCB y tener ese tipo de "enganche".

Sin embargo, no fue seguro, porque dependía de manera poco clara de la orientación del imán y la dirección del movimiento y también de la velocidad con la que moví el imán.

No pude evaluar el mecanismo real, pero la causa estaba clara. La interacción de la PCB (y probablemente el chip controlador) con el imán en movimiento.

También verifiqué que el bloqueo podría ocurrir al mover una unidad ensamblada cerca de un cuerpo ferromagnético masivo, como cuando se conecta la unidad a un refrigerador. Pero el fenómeno en este caso fue menos repetible y más errático.

Las opciones que me vinieron a la mente fueron obviamente dos:

• corriente inducida generada por la variación del flujo magnético vinculado con algún bucle
• El efecto Hall perturba el comportamiento normal de algunos componentes semiconductores dentro del chip del controlador

No puedo decir con certeza cuál es el verdadero culpable entre esos dos. Dejo la decisión final a los expertos de EE. UU. Que tienen más conocimientos que yo sobre tales temas.

No puedo estar seguro, pero sospecho que quien estaba a cargo de probar el prototipo no realizó las pruebas adecuadas cuando el imán estaba en su lugar. De hecho, el imán no estaba incorporado en la cubierta posterior de las unidades, sino que se proporcionaba como un complemento en el paquete. Tuviste la opción de pegarlo a la cubierta posterior ya que un lado del imán era adhesivo.

Espero que hayas disfrutado de este pequeño desafío mental, vagamente inspirado en las novelas de Sir Arthur Conan-Doyle.

Este tipo de síntomas huele a una resistencia faltante de pulldown (o pullup, según la topología) en una puerta FET. Todo está bien si el sistema se enciende sin que el transitorio de inicio active el FET. Si eso tiene éxito, todo está bien. Si no, el sistema se engancha en un estado extraño que logra extraer algo de corriente.

Me doy cuenta de que este es un tablero de un solo lado. Eso significa que los cables de orificio pasante solo los sujeta el menisco de soldadura en un lado de la placa, no dentro del orificio chapado y en ambos lados como en una placa de dos capas. Después de suficiente esfuerzo mecánico o ciclos térmicos, tales juntas de soldadura pueden volverse escamosas. Esto puede ser muy difícil de ver, incluso con la lupa de un joyero. Personalmente, he visto que una placa de este tipo falla de formas aparentemente aleatorias, y la inspección visual no reveló el problema, a pesar de que estaba buscando uniones de soldadura defectuosas. El reflujo de cada junta y la adición de soldadura adicional solucionaron el problema.

Otra causa de tales síntomas es que el botón se presiona todo el tiempo. Sin embargo, me imagino que este no es el caso porque entonces las luces no habrían funcionado en primer lugar. Ese tipo de botón tiene una sensación de clic positivo. La única forma en que este problema podría suceder en su circunstancia es si el botón funcionó correctamente durante los primeros tres clics y luego se atascó con el clic que apagó la luz. Es poco probable que tantas unidades funcionen bien durante tres clics, y luego todas se bloqueen en el cuarto, así que no creo que este sea el problema.

Puedo pensar en escenarios en los que un circuito mal diseñado puede engancharse a un estado no deseado con la fuente de alimentación fallando y rebotando a medida que se instalan las baterías, posiblemente dependiendo de si el botón se presionó o no en ese momento. Sin embargo, todos estos escenarios dejarían la unidad obviamente inoperativa de inmediato. Supongo que probó cada unidad a través de al menos un ciclo de ENCENDIDO-APAGADO antes de declararla lista y pegarla en una pared o lo que sea.