O misterioso caso da corrente de fuga aleatória

Isenção de responsabilidade: Eu já conheço a solução desse dilema de depuração de circuitos (e não é trivial), e vou publicá-la depois de algum tempo, para que outras pessoas possam dar sua contribuição a essa história de mistério! Eu acho que pode ter algum valor educacional para projetistas de circuitos!

Alguns anos atrás (~ 8, IIRC), me deparei com uma oferta especial muito interessante em uma loja geral local: algumas muito boas (assim eu pensei) aparelhos de iluminação LED Osram DOT-IT pela metade do preço.

Como você pode ver, eles eram pequenos aparelhos, alimentados por três pilhas AAA, envolvendo três LEDs brancos muito brilhantes. A coisa toda foi ligada através de um interruptor suave acionado pressionando a cúpula transparente. Na primeira pressão, os três LEDs acendem e, a cada pressão subseqüente, um dos LEDs apaga. Assim, você pode escolher a quantidade de luz que o aparelho produziria. A caixa externa, além da cúpula de plástico transparente, era de alumínio anodizado muito forte, com a tampa traseira de plástico com um ímã forte, o que permitia grudar a coisa na geladeira, na carroceria do carro ou em qualquer superfície metálica adequada que você desejasse.

Como na época a iluminação LED era muito cara aqui na Itália e pequenos aparelhos como esses eram monstruosamente caros ou totalmente ruins, achei uma boa idéia comprar uma dúzia deles (tentei com apenas uma unidade e tentei verificou que produzia luz muito forte e era de qualidade muito alta). Eu pretendia usá-los como luzes de emergência em todos os cômodos da minha casa e no meu carro.

Tudo estava bem até que um breve apagão aconteceu após cerca de 6 meses. Para minha grande decepção, cerca de 10 das 12 coisas estavam com a bateria descarregada!

É claro que meu primeiro pensamento foi "interruptor macio com vazamento de baixa qualidade" e corri para o meu micro-amperímetro! Efetivamente, encontrei algumas unidades que tinham correntes de fuga excessivamente altas (~ 1 mA), mas as outras tinham uma ~ 20 μA bastante honesta. Fiquei intrigado.

Troquei todas as baterias pelas de baixo vazamento e decidi tentar novamente.

Depois de alguns meses, surpresa, eles falharam novamente! Eu medi o vazamento novamente e obtive resultados diferentes. Algumas unidades exibiam o terrível vazamento de ~ 1 mA, enquanto as outras eram "normais". Além disso, testei novamente as duas unidades que originalmente mostravam alto vazamento e ... elas não vazavam mais !!!

Fui alimentado e, como não tinha mais tempo a perder com o problema naquela época, raspei todos eles e os coloquei em uma caixa de lixo eletrônico (afinal, eles tinham três LEDs brancos agradáveis ​​e caros, e planejava salvá-los) e esquecê-los.

Eu os encontrei novamente há algumas semanas e, em um frenesi de reorganização, pensei em desmontar as unidades e salvar os LEDs. Então eu descobri que o circuito interno era um pequeno PCB contendo apenas um interruptor momentâneo, os LEDs, um chip de driver e uma tampa. O PCB é mostrado nas fotos abaixo (por curiosidade, tentei encontrar uma folha de dados para esse chip de driver, mas sem sorte).

Testei os PCBs novamente, apenas por diversão, e ainda recebi o comportamento errático de vazamento que havia observado antes, mas no processo finalmente descobri o culpado.

Adivinhe qual foi a causa desse vazamento aleatório e errático!

Suspeito de algo a ver com o ímã forte (eu não suspeitaria, exceto que deve ser uma resposta interessante ou você não teria feito a pergunta). Talvez ter o campo magnético induza uma corrente em um loop em algum lugar. O vazamento foi maior quando havia mais área entre os fios conectados à bateria? Ou pode ser uma corrente em algum outro loop.

Aqui está o resumo de minhas investigações e minhas descobertas sobre o misterioso caso da corrente de fuga aleatória.

Quando comecei a desmontar as unidades, também fiquei curioso e quis pesquisar uma causa racional para esse comportamento estranho. Eu não tive sorte até quase mover inadvertidamente o ímã para perto de uma placa de circuito impresso ligada. O amperímetro saltou para cerca de 2mA e estabilizou em um valor ligeiramente mais baixo.

No começo, pensei que era apenas um efeito mecânico devido ao meu manuseio da PCB, mas após testes repetidos, verifiquei que havia uma clara correlação entre mover o ímã perto da PCB e ter esse tipo de "trava".

Não foi um tiro certeiro, porém, porque dependia de uma maneira pouco clara da orientação do ímã e da direção do movimento e também da velocidade com que movi o ímã.

Não pude avaliar o mecanismo real, mas a causa era clara. A interação do PCB (e provavelmente o chip do driver) com o ímã em movimento.

Também verifiquei que a trava poderia ocorrer ao mover uma unidade montada perto de um corpo ferromagnético maciço, como ao conectar a unidade a uma geladeira. Mas o fenômeno nesse caso foi menos repetitivo e mais irregular.

As opções que me vieram à mente eram obviamente duas:

• corrente induzida gerada pela variação do fluxo magnético ligado a algum loop
• Efeito Hall perturbando o comportamento normal de alguns componentes semicondutores dentro do chip do driver

Não posso dizer com certeza qual é o verdadeiro culpado entre esses dois. Deixo a decisão final para os especialistas em EE.SE que têm mais conhecimento do que eu sobre esses tópicos.

Não tenho certeza, mas suspeito que quem estava encarregado de testar o protótipo não realizou o teste adequado quando o ímã estava no lugar. Na verdade, o ímã não estava embutido na contracapa das unidades, mas era fornecido como um complemento na embalagem. Você tinha a opção de colá-lo na tampa traseira, pois um lado do ímã era adesivo.

Espero que você tenha gostado desse pequeno teaser mental, vagamente inspirado nos romances de Sir Arthur Conan-Doyle.

Esse tipo de sintoma cheira a falta do resistor de pulldown (ou pullup, dependendo da topologia) em uma porta FET. Tudo ficará bem se o sistema for ligado sem que o transitório de inicialização ative o FET. Se isso for bem sucedido, tudo está bem. Caso contrário, o sistema trava em algum estado estranho que consegue extrair alguma corrente.

Percebo que este é um quadro unilateral. Isso significa que os fios de passagem são mantidos apenas pelo menisco de solda em um lado da placa, não dentro do furo galvanizado e nos dois lados, como em uma placa de duas camadas. Após estresse mecânico suficiente ou ciclo térmico, essas juntas de solda podem ficar escamosas. Isso pode ser muito difícil de ver, mesmo com uma lupa de joalheiro. Eu pessoalmente vi uma placa desse tipo falhar de maneiras aparentemente aleatórias, e a inspeção visual não revelou o problema, mesmo que eu estivesse procurando por juntas de solda ruins. Refletir cada junta e adicionar solda adicional resolveu o problema.

Outra causa para esses sintomas é que o botão é pressionado o tempo todo. No entanto, estou pensando que esse não é o caso, porque as luzes não teriam funcionado em primeiro lugar. Esse tipo de botão tem uma sensação positiva de clique. A única maneira de esse problema acontecer em sua circunstância é se o botão funcionou corretamente nos três primeiros cliques e ficou preso com o clique que apagava a luz. É improvável que tantas unidades funcionem bem por três cliques, então todas ficam presas à frente, então não estou pensando que esse seja o problema.

Posso pensar em cenários em que um circuito mal projetado pode travar em um estado não intencional, com a fonte de alimentação girando e saltando enquanto as baterias são instaladas, possivelmente dependendo se o botão foi pressionado ou não no momento. No entanto, todos esses cenários deixariam a unidade obviamente inoperante imediatamente. Estou assumindo que você testou cada unidade através de pelo menos um ciclo de ON-OFF antes de declará-la pronta e colá-la na parede ou o que seja.