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Errores, pifias y sorpresas en electronica



 porPerson Ruben Aguirre

 
 27 de octubre de 2022
 

Introduccion: errores, pifias y sorpresas en circuitos electrónicos.




La siguiente es una colección de errores, malentendidos, suposiciones erróneas en el diseño de circuitos electrónicos y mediciones en circuitos electrónicos. Traté de cubrir los errores que son bastante comunes en lugar de los misteriosos que necesitan una comprensión profunda de la electrónica.

Todo el mundo se habrá encontrado con al menos uno de estos problemas. Si no lo hiciste, debes ser un verdadero genio.

Algunos errores pueden ser obvios para usted, pero tal vez no para otros. Esto depende de su nivel de conocimiento y experiencia con la electrónica.

El aprendizaje de la electrónica se logra mejor practicando y construyendo circuitos en lugar de simplemente leer la teoría en los libros. Especialmente cuando un circuito no funciona como se esperaba, aprenderá de él. Los errores que cometiste por malentendidos o cosas que no sabías, no los olvidarás fácilmente. Al contrario de solo leer la teoría en un libro. Al construir y practicar, descubrirá qué partes de la teoría no entendió completamente o pasó por alto. Tal vez el libro no le habló sobre los efectos de la temperatura, la impedancia parásita que no tomó en cuenta, los problemas de EMI, las características especiales de los componentes, los problemas del área de operación segura, etc.

La experiencia es la colección de errores que cometiste en el pasado y de los que aprendiste, para que no los vuelvas a cometer fácilmente

Caso 1: ¿Medición de un voltaje incorrecto en un circuito con resistencias de alto valor?




Suponga que tiene un divisor resistivo con 2 resistencias de 1MOhm (R1 y R2) con un voltaje de CC de 12V (V1).

Debido a que ambas resistencias son iguales, esperamos un voltaje de 6 V sobre R2, así como sobre R1.

Construyes el circuito y mides el voltaje sobre R2 con un voltímetro. Mide 5,75 V sobre R2 y también 5,75 V sobre R1.

Pero, sorprendentemente, cuando sumas los 2 voltajes, obtienes 11,5 V y no 12 V. Hm, el voltímetro debe ser inexacto. Así que toma un multímetro de 5 1/2 dígitos o quién sabe, un multímetro muy preciso de 6 1/2 dígitos y nuevamente mide 5.75V sobre R2 y 5.75V sobre R1.

Donde nos equivocamos ?

Olvidamos que la impedancia de entrada del voltímetro (o multímetro) influye en nuestro circuito. Un multímetro normalmente tiene una impedancia de entrada de 10 MOhm. Esto significa que en realidad coloca una resistencia de 10 MOhm en paralelo con la resistencia de 1 MOhm cuando mide el voltaje sobre R1 o R2. La resistencia paralela resultante es inferior a 1MOhm: resistencia total = R1 * 10MOhm / (R1 + 10MOhm) = (1MOhm * 10MOhm) / (1MOhm + 10MOhm) = 909,0909kOhm.

Supongamos que conectamos el multímetro sobre R2. La conexión en paralelo de R1 y la impedancia de entrada del multímetro da como resultado una resistencia total inferior a 1 MOhm, es decir, 909,09 kOhm. La resistencia total del circuito disminuye al conectar el multímetro, por lo que fluirá una corriente más alta a través del circuito. La corriente será de 12V / (1MOhm + 909.09kOhm) = 6.28uA. Sin el multímetro, la corriente sería de 12V/2MOhm = 6uA. La corriente más alta provoca una mayor caída de voltaje sobre R1 = 1MOhm * 6.28uA = 6.28V. ¡El voltaje que medirá el multímetro será 12V - 6.28V = 5.72 y no los 6V que esperábamos!

Lección aprendida ?

Al medir en circuitos de alta impedancia (resistencias de alto valor o alta impedancia), es posible que tenga errores de medición significativos debido a la influencia de la impedancia de entrada de su equipo de medición. Fe cuando se mide con un osciloscopio, una sonda 10:1 se verá como una impedancia más alta que una sonda 1 1:1. Con multímetros, la impedancia de entrada puede cambiar según el rango seleccionado (incluso cuando se trata de un multímetro de rango automático).

Caso 2: ¿La corriente fluye a través de un capacitor mientras consta de 2 placas que están separadas por un aislante?




A menudo leo discusiones en Internet sobre si la corriente fluye a través de un capacitor o no. El dieléctrico de un capacitor es un aislante, por lo que no muchos electrones podrán moverse a través del dieléctrico de una placa del capacitor a la otra. La corriente de fuga es la única corriente que realmente puede fluir a través del dieléctrico. Esta corriente de fuga se debe a imperfecciones en el dieléctrico. La magnitud de la corriente de fuga depende del voltaje que se aplica al capacitor y puede estar en el rango de microamperios.

La corriente de carga que fluye para cargar el capacitor a un cierto voltaje no fluye en absoluto a través del dieléctrico.

Donde nos equivocamos ?

Solo imagine un capacitor como una membrana flexible en un tubo de agua. Cuando se bombea agua al tubo de agua, la membrana se doblará y el agua del otro lado de la membrana saldrá del tubo. Así que lo que ves es que el agua entra en el tubo y en el otro extremo el agua sale del tubo. ¿El agua fluye a través de la membrana? No. Pero aún parece que lo hace. Cuando pensamos en el agua como los electrones y la membrana como el dieléctrico del capacitor, vemos electrones fluyendo hacia una placa del capacitor y al mismo tiempo vemos electrones saliendo de la otra placa. ¿Significa eso que los electrones fluyen a través del dieléctrico? No, los electrones de una placa repelen los electrones de la otra placa, por lo que seguramente parece que fluyen a través del dieléctrico, pero no es así.

Por supuesto, la analogía con el agua no es hermética, pero ayuda a visualizar el efecto.

Lección aprendida ?

No todo es realmente lo que parece ser.



Caso 3: ¿La impedancia calculada de un capacitor parece ser incorrecta?





Suponga que desea hacer un divisor para dividir un voltaje de CA por la mitad. Puede usar 2 resistencias para hacer eso, pero intentemos con una resistencia y un capacitor.

Tenemos un voltaje de CA sinusoidal de 10Vpp (pico a pico) con una frecuencia de 1kHz y queremos dividirlo en 5Vpp usando una resistencia y un capacitor. Además, no es importante, pero el voltaje sinusoidal de CA es simétrico, por lo que la amplitud varía de +5 V a -5 V, lo que da 10 Vpp.

Mira el circuito. ¿Cuál es el valor de C1 para dividir V1 entre 2, lo que da como resultado 5 Vpp sobre C1?

Donde nos equivocamos ?

Olvidamos que un capacitor también causa una diferencia de fase. Entonces, no podemos simplemente agregar la resistencia R1 a la impedancia de C1 para obtener la impedancia total. Esto se debe a que el voltaje sobre C1 no está en fase con el voltaje sobre R1. Al sumar estos voltajes, no obtendrá el mismo resultado que cuando los voltajes estarían en fase.

Debido a esta diferencia de fase, debemos tratar la resistencia y la reactancia (impedancia del capacitor) como vectores que tienen un ángulo entre ellos (la diferencia de fase). Para sumar vectores, teniendo en cuenta su relación de fase, necesitamos utilizar la suma vectorial (Pitágoras). Ver el diagrama vectorial.

También ves que cuando sumas la reactancia de 1K a la resistencia de 1K, no obtienes un total de 2K, sino 1,41K.

Es por eso que el divisor que hemos construido no le dará la mitad del voltaje de entrada = 5Vpp sino 7Vpp.

Lección aprendida ?

Cuando se trata de condensadores o inductores, debe tener en cuenta que estos componentes introducen un cambio de fase. Debido al cambio de fase, la simple suma de voltajes o corrientes le dará resultados erróneos.


Caso 4: ¿El multímetro da lecturas de voltaje incorrectas?




Está utilizando su multímetro para medir una señal de CA de la que no conoce la forma de onda ni la frecuencia. Todo lo que sabe es que la frecuencia de la señal de CA debe estar en el rango de 100 Hz a 10 kHz. El multímetro es un verdadero medidor RMS y usa la medición para averiguar cómo funciona el circuito, porque no sabe exactamente cómo funciona y qué tipo de señales encontrará en el circuito.

Donde nos equivocamos ?

Si desea investigar un circuito del que no está seguro de qué tipo de formas de onda medirá, tiene muchas posibilidades de malinterpretar las señales. Lo mejor que puede hacer es usar un osciloscopio para investigar el circuito. Por qué ?

Cuando se utiliza un multímetro RMS real para medir voltajes de CA, no se mide el voltaje máximo o el voltaje promedio de la señal de CA, sino la capacidad de calentamiento de la señal. La capacidad de calentamiento es el voltaje de CC que generaría el mismo calor en una resistencia. Difícil de entender, pero es esencial conocer la forma de onda cuando desea interpretar la verdadera medición de CA RMS de su multímetro. La más simple es cuando la forma de onda de CA que está midiendo es una onda sinusoidal perfecta. En ese caso, el valor RMS será el voltaje máximo dividido por la raíz cuadrada de 2. Pero cuando la onda sinusoidal está muy distorsionada o cuando la forma de onda de CA es triangular o cuadrada, la medición de CA dará resultados totalmente diferentes.

Vea los 3 gráficos, donde ve la medición de CA RMS para 3 formas de onda diferentes que tienen la misma amplitud.

Puede ver claramente que la onda triangular tiene la capacidad calorífica más baja (valor RMS más bajo), seguida por la onda sinusoidal y la onda cuadrada. Esto tiene sentido si observa que la capacidad calorífica es proporcional a la superficie debajo de la envolvente de la forma de onda.

Nota:

Al cambiar la simetría de cualquiera de las señales, obtiene resultados de medición AC RMS completamente diferentes:

Una onda cuadrada de 1kHz con una amplitud de 10Vpp y:

 * Ciclo de trabajo del 50%, resulta en un valor RMS de 5.V.

 * 10% y 90% de ciclo de trabajo, ¡ambos dan un valor RMS de 3V!

Si se pregunta por qué una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 10 % o del 90 % da el mismo valor RMS, vuelva a pensar en ello como la suma del área de superficie cubierta por la onda positiva y negativa. La suma será la misma para una forma de onda de ciclo de trabajo del 10 % o del 9 %.

Lección aprendida ?

Utilice siempre un osciloscopio para comprobar un circuito del que no esté seguro de qué señales o formas de onda esperar. Con un osciloscopio, puede ver la compensación de CC, la amplitud de CA y la forma de onda, todo a la vez. Con un osciloscopio también puede detectar artefactos en la señal que nunca descubrirá con un multímetro. Un multímetro está bien para verificar voltajes de CC y señales de CA de seno puro con una frecuencia limitada (< 500 kHz para un buen multímetro, < 1 kHz para un multímetro económico)


Caso 5: ¿El multímetro da lecturas de corriente inexactas?




Desea medir la corriente que fluye a través de un circuito usando un multímetro. Primero calcula la corriente que espera y luego mide la corriente con un multímetro. Para su sorpresa, la medida está un poco fuera de lo que esperaba. No es mucho, pero ¿por qué?

Donde nos equivocamos ?

Cuando insertas un multímetro en un circuito para medir la corriente que fluye en esa parte del circuito, debes tener en cuenta que el multímetro tiene una resistencia interna que no es cero. La resistencia interna de un buen multímetro es bastante pequeña, pero no es cero. Entonces, al medir la corriente, agrega una resistencia adicional al circuito. Debido a la corriente que fluye, habrá una caída de voltaje en el multímetro. Esta caída de voltaje adicional provoca una corriente más baja en el circuito y, por lo tanto, crea un error de medición. La caída de voltaje adicional se llama "voltaje de carga" .

En el circuito muestro la diferencia entre el circuito sin el multímetro (o cualquier otro dispositivo de medición de corriente) insertado (imagen de la izquierda) y el circuito con el multímetro insertado (imagen de la derecha).

En la imagen de la izquierda, verá que la corriente a través del circuito será = (10V / R1) = 10V / 10 Ohm = 1A.

En la imagen de la derecha, se inserta un medidor de corriente en el circuito. Este medidor de corriente tiene una resistencia interna de 0,1 ohmios. Debido a que esta resistencia interna es bastante pequeña, da como resultado un error bastante pequeño en la medición actual. El voltaje de carga causado por la corriente que fluye a través de la resistencia interna adicional de 0,1 ohmios del medidor de corriente es de 0,099 V.

Resumiendo, no demasiado malo. Pero cuando está midiendo una corriente más alta o su medidor tiene una resistencia interna más alta, los errores de medición pueden ser significativos. Hay circuitos en los que una cierta corriente tiene que ser calibrada con precisión. En esas situaciones, es importante darse cuenta de que tendrá un error de medición al insertar un medidor en el circuito.

Lección aprendida ?

Cada multímetro tiene un voltaje de carga que provoca un error de medición. Por lo general, este error es lo suficientemente pequeño como para ignorarlo, pero hay situaciones en las que necesita poder realizar mediciones de corriente precisas. Una pinza amperimétrica permite medir la corriente sin insertar el medidor en el circuito, pero las pinzas amperimétricas están diseñadas para medir corrientes bastante altas y no son tan precisas como los multímetros con una capacidad de medición de corriente limitada.


Caso 6: ¿El diodo no rectifica?




Quiere rectificar una señal de onda cuadrada con una frecuencia de 100kHz, un ciclo de trabajo del 50% y una amplitud de 10Vpp (+5V a -5V).

Usted construye el circuito simple que se muestra con un diodo 1N4007. Por supuesto, el 1N4007 es excesivo para esta aplicación, pero elijo este diodo porque es ideal para mostrar el problema que estamos discutiendo.

Verifica la salida del circuito con un osciloscopio y, para su sorpresa, ve que el diodo no elimina por completo la parte negativa de la onda cuadrada. Todavía ve una parte negativa, mientras espera que el diodo rectifique la señal para que solo aparezca la parte positiva en la salida.

En la imagen se ve el circuito y la forma de onda de entrada/salida.

Donde nos equivocamos ?

Cuando necesite rectificar señales de alta frecuencia, debe verificar el tiempo de recuperación inversa del diodo que está utilizando. El tiempo de recuperación inversa es el tiempo que el diodo necesita para cambiar de conducción a corte cuando el voltaje se invierte repentinamente. El 1N4007 necesita alrededor de 3 us para cambiar de conducción a corte, por lo que es un diodo relativamente lento. El 1N4148 tiene un tiempo de recuperación inversa de 4 ns, por lo que es un diodo muy rápido. Esto se debe a que es un diodo de baja potencia que almacena una pequeña cantidad de carga cuando conduce. Entonces, para dejar de conducir, solo tiene que purgar una pequeña carga.

Lección aprendida ?

Los diodos de alta potencia más comunes no son infinitamente rápidos y necesitan tiempo (microsegundos) para apagarse. Para aplicaciones de energía de conmutación rápida, los diodos especiales de recuperación rápida están diseñados con tiempos de recuperación inversa en el rango de decenas de nanosegundos a cientos de nanosegundos.


Caso 7: ¿El osciloscopio crea un cortocircuito?



Este es un error que se comete a menudo. Quiere medir un voltaje sobre un componente en un circuito, pero ninguno de los terminales del componente está conectado a tierra. Por lo tanto, debe colocar el clip de tierra de la sonda de su osciloscopio en un punto que tenga voltaje. Así que conectas el clip de tierra a ese punto y BANG, humo y el circuito está muerto. Qué sucedió ?

Donde nos equivocamos ?

El clip de tierra de la sonda de su osciloscopio está conectado directamente al chasis del osciloscopio y el chasis está conectado directamente a tierra de protección. Si desea realizar una medición diferencial en un circuito con una sonda de alcance, debe asegurarse de que la tierra de su circuito no esté conectada a tierra de protección. De lo contrario, hará un cortocircuito en su circuito que puede dañar su circuito o incluso dañar su alcance cuando el circuito puede entregar suficiente corriente.

Vea la imagen para una situación en la que el osciloscopio creará un cortocircuito al conectar el clip de conexión a tierra al suministro de +12 V de un circuito que está conectado a tierra y a la conexión a tierra de protección. El clip de tierra cortocircuitará los +12V.

Cuando el circuito está referenciado a una tierra de referencia que no está conectada a tierra de protección, puede conectar el clip de tierra al suministro de +12 V del circuito y medir el voltaje sobre R1 de esta manera. Cuando fe el +12V proviene de una batería, por lo que la tierra del circuito está flotando, entonces no hay problema.

Algunas personas utilizan un cable de alimentación para el osciloscopio en el que han cortado el cable de tierra de protección, por lo que el chasis y la pinza de tierra de su sonda quedan flotando y puede hacer medidas diferenciales con el osciloscopio sin riesgo de cortocircuito. No haga esto a menos que sepa exactamente lo que está haciendo, porque está creando una situación muy peligrosa e incluso letal al medir voltajes altos o el voltaje de la red. Cuando conecta el clip de la sonda a un alto voltaje o tensión de red, todo el chasis, incluidos los conectores BNC de metal de su sonda de alcance, estará en este alto voltaje. ¡Muy peligroso cuando no te das cuenta de que esto es consecuencia de cortar la tierra protectora de tu visor!

Lección aprendida ?

La única buena manera de evitar que el clip de tierra de su osciloscopio pueda hacer un cortocircuito cuando conecta el clip de tierra a un punto que lleva voltaje es asegurarse de que su circuito esté flotando. fe alimentando el circuito desde una batería o utilizando un transformador de aislamiento.

Otro método es usar 2 sondas de osciloscopio y usar la función matemática en su osciloscopio para restar ambas medidas entre sí para averiguar el voltaje que hay entre las 2 sondas. Esto nunca puede causar un cortocircuito porque los clips de tierra están conectados a la tierra del circuito y las puntas de las sondas están conectadas a los puntos que llevan voltaje.

La mejor solución es usar una sonda diferencial, pero generalmente son bastante costosas.

Caso 8: ¿Uno tras otro MOSFET de baja potencia no funciona?




Al manipular MOSFET y especialmente MOSFET de baja potencia como el BS170 o 2N7000, se debe tener cuidado para prevenir o minimizar ESD (descarga electrostática). Estos dispositivos son muy sensibles a las descargas electrostáticas, por lo tanto, tome precauciones para evitar que lleve carga que pueda descargarse en la puerta del MOSFET. Cuando ocurre una descarga en el MOSFET antes de que se ensamble en un circuito, la probabilidad de que el dispositivo ya no funcione o muestre un comportamiento inestable es muy alta hasta que finalmente muera. Una muñequera ESD es ideal para evitar que ocurra una ESD o puede tocar una conexión a tierra protectora para descargarse antes de comenzar a manipular dispositivos MOSFET.

Una vez que el dispositivo está ensamblado en una PCB, la posibilidad de dañar el MOSFET es menor ya que la descarga puede tomar diferentes rutas a tierra, pero no hay garantía. Los eventos de ESD pueden dañar un componente de manera que aún pueda funcionar, pero se degradará con el tiempo y morirá o comenzará a funcionar mal mucho antes de que haya pasado su vida útil normal.

¿SABIAS QUE?



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