Il degrado dei componenti è inevitabile, ma il guasto del sistema e i danni all'utente no

I progettisti di circuiti, specie quelli che implementano funzioni analogiche come front-end dei sensori o alimentatori, vivono in un mondo di componenti con specifiche che sono destinate inevitabilmente a cambiare a causa del passare del tempo (invecchiamento), dell'uso attivo, delle variazioni di tensione e delle escursioni termiche. Di conseguenza, per evitare che il loro prodotto finale esca dalle specifiche, devono tener conto di tutte queste variazioni, e quanto meno fare in modo che lo scostamento dalle specifiche avvenga il più tardi possibile.

Il bisogno di protezione dai guasti è ovviamente nato prima dell'elettronica. Il freno ferroviario a sicurezza intrinseca Westinghouse è stato sviluppato alla fine del 1800 ed è usato ancora oggi. In questa architettura, per il rilascio dei freni è necessaria la presenza di aria compressa. Se il compressore, il serbatoio dell'aria compressa o i tubi dell'aria hanno un qualche guasto, i freni si bloccano e non verranno rilasciati.

Per l'elettronica, i principi sono gli stessi: progettiamo per ridurre al minimo il rischio di guasti e gli eventuali danni. Ma oggi c'è molto di più: insieme alle misure di sicurezza, stiamo anche lavorando sull'autorigenerazione.

Evitare i guasti

Esistono diversi modi standard per evitare che il deterioramento diventi un problema e possono essere usati singolarmente o in combinazione:

1: Scegliere componenti con specifiche adeguatamente rigide per i parametri critici relativi alle derive dovute all'invecchiamento, alle variazioni di temperatura e agli spostamenti dei punti di lavoro. Di solito questo è un approccio relativamente costoso. Potrebbero non esservi componenti con specifiche abbastanza rigide, oppure la loro disponibilità potrebbe essere limitata.

2: Eseguire periodicamente una procedura di calibrazione mentre il prodotto è in uso. Ciò richiede almeno una componente "aurea", come un riferimento di tensione, che ha una stabilità superiore nell'intervallo di tempo e temperatura. Questa componente può essere usata come standard per la procedura di calibrazione. Ma, anche in questo caso, potrebbe essere un sistema costoso o disponibile in quantità limitate. Inoltre, l'architettura generale del sistema e il software devono includere ulteriori circuiti di calibrazione, come un convertitore analogico/digitale (ADC) ad alta risoluzione e il corrispondente software di calibrazione.

3: Utilizzare un'architettura o una topologia in cui molti errori si cancellano da soli. Un modo per farlo è usare un circuito differenziale dove i cambiamenti in entrambe le "fasi" di un front-end analogico (AFE) si controllano a vicenda, quindi il differenziale è abbastanza basso. Questo è particolarmente interessante quando i resistori di ingresso di un amplificatore possono essere posizionati sullo stesso die, come nel caso dell'amplificatore differenziale INA133UA di Texas Instruments e di R1 e R3 (Figura 1).

Figura 1: Per ottimizzare le prestazioni, i resistori di ingresso per l'amplificatore differenziale INA133UA sono su chip, per cui si controllano a vicenda, nonostante i cambiamenti di temperatura e altre condizioni operative. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

In questo esempio, nel migliore dei casi i resistori interni sono sbilanciati di ±3 Ω ciascuno, con una discrepanza di ±0,012% nel loro valore nominale di 25 kΩ. Di fatto potrebbero avere una precisione solo del ±15% nelle unità di produzione. Anche se una discrepanza di ±0,012% sembra abbastanza piccola, è al limite di ciò che è accettabile per l'accuratezza delle prestazioni necessarie, e il caso peggiore ±15% di imprecisione mette le prestazioni ben al di fuori del limite di progettazione. Ma la cosa più importante è che i due resistori si controllano in modo quasi identico attraverso la temperatura e altre variazioni operative e il loro rapporto differenziale rimane invariato, permettendo di avere un circuito ad alta precisione.

In modo analogo, il classico ponte di Wheatstone si serve di una relazione ingresso/uscita raziometrica in cui ciò che conta sono i rapporti dei componenti piuttosto che i loro valori assoluti (Figura 2). Usando questi rapporti, è molto più facile mantenere prestazioni accurate e coerenti.

Figura 2: Il famoso ponte di Wheatstone utilizza il rapporto dei bracci dei suoi resistori per misurare e annullare i segnali piuttosto che i valori assoluti dei resistori; i rapporti sono relativamente indipendenti dalle variazioni indesiderate. (Immagine per gentile concessione di PEIO.org)

Quando i componenti iniziano ad accusare problemi: sicurezza intrinseca e autorigenerazione

I componenti che vanno alla deriva o invecchiano uscendo dalle specifiche sono solo una classe di problemi. Un altro problema si presenta quando vengono sollecitati fino al cedimento parziale o sviluppano un guasto interno a causa di un difetto di fabbricazione.

Nella maggior parte dei casi, per questo problema non esiste una soluzione facile. Nelle applicazioni mission-critical o con tensione pericolosa, il progettista deve analizzare l'impatto di potenziali guasti e come mitigarli oppure predisporre un ulteriore livello di protezione (questi sono spesso definiti da standard normativi).

Ad esempio, l'elettronica medicale alimentata dalla rete elettrica può richiedere trasformatori di isolamento per evitare che anche una corrente minima vada a terra se un componente interno o l'isolamento si guastano. Analogamente, gli utensili elettrici alimentati dalla rete elettrica (non a batteria) ora usano involucri che sono a doppio isolamento, senza parti conduttive che l'utente potrebbe toccare. In questo modo, anche se un filo interno ad alta tensione va in cortocircuito con l'involucro, è impossibile che un flusso di corrente pericoloso scorra verso l'utente (e l'attraversi), anche se nel cavo di alimentazione c.a. non c'è un cavo di terra di sicurezza.

In altri casi, i progettisti possono selezionare componenti come i condensatori che sono progettati per ripristinarsi dopo un guasto parziale, o almeno per deteriorarsi senza far danni. Ad esempio, condensatori a film in polipropilene metallizzato come 5MPA2475E di Electronic Concepts Inc. si autorigenerano dopo un guasto nel dielettrico, che si verifica a causa di alti sovraccarichi o transitori di tensione (Figura 3).

Figura 3: I condensatori a film in polipropilene metallizzato come 5MPA2475E possono autorigenerarsi dopo guasti locali (cortocircuiti) derivanti da sovratensioni o transitori. (Immagine per gentile concessione di Electronic Concepts Inc.)

Quando l'isolamento viene meno, si forma un arco di breve durata e altamente localizzato nel punto di rottura (Figura 4.1). L'intenso calore generato da questo arco fa vaporizzare la metallizzazione nelle vicinanze (Figura 4.2) e contemporaneamente isola di nuovo gli elettrodi conservando il funzionamento e l'integrità del condensatore (Figura 4.3).

Figura 4: Il processo di autorigenerazione inizia quando un arco di guasto si forma tra lo strato di metallo (a) e il film in polipropilene (b) nel punto di rottura (1); la metallizzazione nella zona vaporizza (2) lasciando una zona isolata che mantiene la separazione tra gli strati e permette al condensatore di continuare a funzionare (3). (Immagine per gentile concessione di Schneider Electric, modificata da Bill Schweber)

Altri condensatori non si rigenerano, ma hanno invece quella che viene chiamata una "modalità di guasto benigno". Anche in caso di guasto da cortocircuito, ad esempio, i condensatori polimerici al tantalio come TCOD106M050R0150E di AVX non presentano un indesiderato "evento termico transitorio" (arco o sfiammata intensa) che è invece possibile con molti condensatori al tantalio con catodo al diossido di manganese (MnO₂), un evento che può portare alla combustione o all'incendio.

Conclusione

I progettisti devono analizzare l'impatto sulle prestazioni di un guasto totale o parziale nel contesto dell'applicazione di un prodotto. Mentre un componente del sistema di alimentazione guasto in uno smartphone non mette a rischio l'utente o il sistema, un cortocircuito in un alimentatore di linea potrebbe facilmente farlo. Per questo motivo quasi tutti questi alimentatori hanno componenti di protezione contro condizioni di sovracorrente e sovratensione, cortocircuiti sul carico e persino interruttori termici in caso di condizioni di sovratemperatura.

In un mondo ideale o forse semplicemente in un prossimo futuro, i componenti che si guastano potrebbero autorigenerarsi, proprio come la pelle umana, le ossa e altri organi cominciano a ripararsi da soli in molti casi, posto che il danno sia modesto. Per ora, un'approssimazione all'autorigenerazione è possibile solo usando schemi complicati a livello di sistema, come circuiti ridondanti con qualche tipo di disposizione di commutazione automatica o manuale.

Tuttavia, la sfida di concepire fili, componenti passivi e persino elementi di circuiti attivi autorigeneranti è un campo su cui stanno lavorando molti ricercatori universitari (v. riferimenti). Chi può dirlo oggi, forse un giorno i singoli componenti potrebbero dare l'avvio a modalità di autorigenerazione come funzione standard del loro progetto e funzionamento.

Letture consigliate

1:"Comprendere i condensatori polimerici e ibridi"

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

2: "Per maker e ingegneri: approfondire le conoscenze sugli amplificatori strumentali per l'acquisizione accurata di dati IoT"

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

3: "Sensori e loro corretto condizionamento: Parte 1 - Sensori a ponte piezoresistivi"

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

Riferimenti esterni

• Texas Instruments, "Difference Amplifiers—the need for well-matched resistors"
• European Passive Components Institute, "When benign is better: fail safe capacitor technology"
• European Passive Components Institute, "The self-healing characteristics of metallized film capacitors"
• AVX, "Technical Summary and Application Guidelines"
• AVX, "MLCC & Tantalum Interchangeability"
• AVX, "Conductive Polymer Capacitors Basic Guidelines"
• Kemet Electronics Corporation, "New Reliability Assessment Practices for Tantalum Polymer Capacitors"
• Kemet Electronics Corporation, "Evaluation of Polymer Counter-Electrode Tantalum Capacitors for High Reliability Airborne Applications"
• Vishay, "Conductive Polymer Capacitors: Frequently Asked Questions (FAQs)"
• Schneider Electric, "What is Self-healing for capacitors?"
• Electronic Concepts, Inc, "The Self-Healing Affect of Metallized Capacitors"
• University of Texas, "New ‘Self-Healing’ Gel Makes Electronics More Flexible"
• Tech Briefs, "Scientists Invent Self-healing Battery Electrode"
• Tech Briefs, Self-Healing Wire Insulation