La degradación de los componentes es inevitable, pero la falla del sistema y los daños a los usuarios no lo son

Los diseñadores de circuitos, especialmente aquellos que implementan funciones analógicas como front end de sensores o fuentes de alimentación, viven en un mundo de componentes con especificaciones que inevitablemente se desviarán y cambiarán debido al paso del tiempo (envejecimiento), al uso activo, a las variaciones de voltaje y a los cambios de temperatura. En consecuencia, los diseñadores deben tener en cuenta tales variaciones para que su producto final no incumpla las especificaciones una vez implementado. Es decir, al menos no de forma prematura.

La necesidad de protección contra las fallas es anterior a la electrónica, por supuesto. El freno de ferrocarril Westinghouse a prueba de fallas se desarrolló a fines del siglo XIX y se sigue usando en la actualidad. En esta arquitectura, se necesita la presencia de aire comprimido para liberar los frenos. Si el compresor, el depósito de aire comprimido o las mangueras de aire fallan de alguna manera, los frenos se activan y no se liberan.

Para la electrónica, los principios son los mismos: diseñamos para minimizar el riesgo de fallas, así como los daños si ocurre una falla. Una vuelta de tuerca: junto con las medidas de seguridad, también estamos trabajando en la autorreparación.

Prevención de fallas

Hay varias maneras estándar de evitar que la cuestión de la degradación se convierta en un problema; se pueden utilizar individualmente o en combinación:

1. Elija componentes con especificaciones adecuadamente ajustadas para los parámetros críticos relacionados con las desviaciones por envejecimiento, cambios de temperatura y cambios en puntos de operación. Este suele ser un enfoque relativamente costoso. Es posible que no se ofrezcan piezas con especificaciones suficientemente ajustadas, y aún si se ofrecen, su disponibilidad podría ser limitada.

2. Aplique periódicamente un procedimiento de calibración mientras el producto esté en uso. Esto requiere al menos un componente "dorado", como una referencia del voltaje, que tenga una estabilidad superior en el tiempo y la temperatura. Este componente se puede utilizar como estándar para el procedimiento de calibración. Nuevamente, este componente de primera calidad podría ser costoso o tener una oferta limitada. Además, la arquitectura y el software generales del sistema deben incluir un sistema de circuitos de calibración adicionales, como un convertidor de analógico a digital (ADC) de alta resolución y el software de calibración correspondiente.

3. Utilice una arquitectura o topología en la que muchos errores se cancelen automáticamente. Una forma de hacer esto es con un sistema de circuitos diferenciales donde los cambios en ambas "patas" de un front end analógico (AFE) se rastrean entre sí, de modo que el diferencial es bastante bajo. Esto es especialmente atractivo cuando las resistencias de entrada de un amplificador se pueden colocar en el mismo molde, por ejemplo, como con el amplificador diferencial INA133UA de Texas Instruments y R1 y R3 (Figura 1).

Figura 1: Para un mejor rendimiento, las resistencias de entrada para el amplificador diferencial INA133UA están integradas en el chip para que se rastreen entre sí, a pesar de los cambios de temperatura y otras condiciones operativas. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

En este ejemplo, las resistencias de entrada están sesgadas ±3 ohmios (Ω) en el mejor de los casos, una diferencia de ±0.012% en su valor nominal de 25 kΩ; de hecho, podrían tener una precisión de solo ±15% en todas las unidades de producción. Si bien una discrepancia de ±0.012% parece bastante pequeña, está al límite de lo aceptable para la precisión de rendimiento necesaria y la imprecisión de ±15% en el peor de los casos sitúa el rendimiento muy por encima del límite de diseño. Pero el factor más importante es que las dos resistencias se rastrean entre sí de manera casi idéntica a través de la temperatura y otras variaciones operativas, y su relación diferencial permanece sin cambios, lo cual produce un circuito de alta precisión.

De forma similar, el puente clásico de Wheatstone hace uso de una relación de entrada/salida ratiométrica donde son importantes las relaciones de los componentes en lugar de sus valores absolutos (Figura 2). Es mucho más fácil mantener un rendimiento preciso y constante utilizando estas relaciones de proporción.

Figura 2: El conocido puente de Wheatstone utiliza la relación de sus brazos de resistencia para medir y anular señales en lugar de valores absolutos de resistencia; las relaciones son relativamente independientes de los cambios no deseados. (Fuente de la imagen: PEIO.org)

Cuando los componentes buenos empiezan a estropearse: seguridad y autorreparación

Los componentes que se desvían o quedan fuera de las especificaciones son solo un tipo de problema. Otro problema surge cuando un componente tensiona hasta el punto de tener una falla parcial o desarrolla una falla interna debido a un defecto de fabricación.

En la mayoría de los casos, se trata de un problema sin solución sencilla. En aplicaciones cruciales o de voltaje peligroso, el diseñador debe considerar el impacto de las fallas potenciales y cómo mitigarlas o brindar una capa adicional de protección (con frecuencia, estas se definen por normas regulatorias).

Por ejemplo, la electrónica médica con energía de línea podría requerir transformadores de aislamiento para evitar que incluso una corriente minúscula fluya a tierra si hay una falla de componente interno o de aislamiento. De manera similar, las herramientas eléctricas con energía de línea (sin energía de batería) ahora usan gabinetes con doble aislamiento sin partes conductoras que el usuario pueda tocar. De este modo, incluso si un cable interno de alto voltaje provoca un cortocircuito en el gabinete, no hay oportunidad de que fluya corriente peligrosa hacia (y por) el usuario, incluso si no hay un cable de alimentación a tierra de seguridad en el cable de alimentación de CA.

En otros casos, los diseñadores pueden seleccionar componentes tales como capacitores que estén diseñados para recuperarse después de una falla parcial, o al menos degradarse de manera benigna. Por ejemplo, los capacitores de película de polipropileno metalizado, como el 5MPA2475E de Electronic Concepts Inc., se autorrepararán después de una falla en el dieléctrico, que ocurre debido a altas sobrecargas o transitorios de voltaje (Figura 3).

Figura 3: Los capacitores de película de polipropileno metalizado, como el 5MPA2475E, pueden autorreparar fallas locales (cortocircuitos) que podrían generarse por sobretensiones o transitorios de voltaje. (Fuente de la imagen: Electronic Concepts Inc.)

Cuando el aislamiento se rompe, se forma un arco muy localizado de corta duración en el sitio de la ruptura (Figura 4.1). El intenso calor generado por este arco hace que la metalización en las proximidades del arco se vaporice (Figura 4.2), y simultáneamente vuelve a aislar los electrodos y mantiene el funcionamiento y la integridad del capacitor (Figura 4.3).

Figura 4: El proceso de autorreparación se inicia cuando se forma un arco de falla entre la capa metálica (a) y la película de polipropileno (b) en el sitio de la ruptura (1), la metalización en el área se vaporiza (2), dejando una zona aislada que mantiene la separación entre las capas y permite que continúe la función del capacitor (3). (Fuente de la imagen: Schneider Electric, modificado por Bill Schweber)

Hay otros capacitores que no se reparan, sino que tienen lo que se llama un "modo de falla benigna". Incluso en caso de una falla por cortocircuito, por ejemplo, los capacitores de polímero de tantalio como el TCOD106M050R0150E de AVX no muestran un "evento térmico transitorio" no deseado (arco voltaico o reactivación intensa) que es posible con muchos capacitores de tantalio con cátodo de dióxido de magnesio (MnO₂), que podrían provocar combustión o incendios.

Conclusión

Los diseñadores deben considerar el impacto en el rendimiento de una falla total o parcial en el contexto de la aplicación de un producto. Si bien un componente defectuoso del subsistema de energía en un teléfono inteligente no pone en riesgo al usuario ni al sistema, un cortocircuito en un suministro operado por línea podría hacerlo fácilmente. Es por eso que casi todos estos suministros tienen componentes de protección contra condiciones de sobrecorriente y sobretensión, cortocircuitos en la carga e, incluso, cortes térmicos en caso de condiciones de sobrecalentamiento.

En un mundo ideal, o tal vez en el futuro, los componentes que fallen comenzarían a autorrepararse, al igual que la piel, los huesos y otros órganos humanos que, en muchos casos, comienzan a repararse por sí mismos, siempre que el daño sea moderado. Por ahora, una aproximación a la autorreparación solo es posible mediante esquemas complicados a nivel de sistema, como un sistema de circuitos redundantes con cierto tipo de disposición de conmutación automática o manual.

Sin embargo, el desafío de idear cables de autorreparación, elementos de circuito pasivos, e incluso activos, es algo que están abordando muchos investigadores universitarios (consulte Referencias). Quién sabe, tal vez algún día los componentes individuales puedan iniciar modos de autorreparación como parte estándar de su diseño y funcionamiento.

Lectura recomendada

1:"Comprensión de los capacitores híbridos y de polímero"

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-polymer-and-hybrid-capacitors

2. "Fabricantes e ingenieros: Conozca su amplificador de instrumentación para una captura precisa de datos de IoT"

https://www.digikey.com/en/articles/makers-engineers-get-to-know-instrumentation-amplifier-accurate-iot-data-capture

3. "Sensores y su acondicionamiento adecuado: Parte 1: Sensores de puente piezorresistivos"

https://www.digikey.com/en/articles/sensors-and-their-proper-conditioning-part-1---piezoresistive-bridge-sensors

Referencias externas

• Texas Instruments, "Amplificadores diferenciales: la necesidad de resistencias bien adaptadas"
• Instituto Europeo de Componentes Pasivos, "Cuando lo benigno es mejor: tecnología de capacitores a prueba de fallas"
• Instituto Europeo de Componentes Pasivos, "Las características de autorreparación de los capacitores de película metalizada"
• AVX, "Resumen técnico y pautas de aplicación"
• AVX, "Intercambiabilidad de MLCC y tantalio"
• AVX, "Pautas básicas de los capacitores de polímero conductores"
• Kemet Electronics Corporation, "Nuevas prácticas de evaluación de confiabilidad para capacitores de polímero de tantalio"
• Kemet Electronics Corporation, "Evaluación de capacitores de tantalio con contraelectrodo de polímero para aplicaciones aéreas de alta confiabilidad"
• Vishay, "Capacitores de polímero conductores: preguntas frecuentes"
• Schneider Electric, "¿Qué es la autorreparación de capacitores?"
• Electronic Concepts, Inc, "El efecto autorreparador de los capacitores metalizados"
• Universidad de Texas, "El nuevo gel 'autorreparador' hace que la electrónica sea más flexible"
• Resúmenes técnicos, "Los científicos inventan un electrodo de batería autorreparadora"
• Resúmenes técnicos, "Aislamiento de cables autorreparador"