Der mysteriöse Fall des zufälligen Leckstroms

Haftungsausschluss: Ich kenne bereits die Lösung dieses Schaltkreis-Debugging-Problems (und es ist nicht trivial), und ich werde es nach einiger Zeit veröffentlichen, damit andere Leute ihren Beitrag zu dieser mysteriösen Geschichte leisten können! Ich denke, es könnte für Schaltungsdesigner einen pädagogischen Wert haben!

Vor einigen Jahren (~ 8, IIRC) bin ich auf ein sehr interessantes Sonderangebot in einem örtlichen Gemischtwarenladen gestoßen: einige sehr schöne (so dachte ich) Osram DOT-IT LED-Lichtgeräte zum halben Preis.

Wie Sie sehen, handelte es sich um kleine Geräte, die mit drei AAA-Batterien betrieben wurden und drei sehr helle weiße LEDs enthielten. Das Ganze wurde durch einen weichen Schalter eingeschaltet, der durch Drücken der transparenten Kuppel betätigt wurde. Beim ersten Drücken würden sich die drei LEDs einschalten und bei jedem weiteren Drücken würde sich eine der LEDs ausschalten. Sie können also die Lichtmenge auswählen, die das Gerät erzeugen soll. Das äußere Gehäuse bestand neben der transparenten Kunststoffkuppel aus sehr stark eloxiertem Aluminium. Die hintere Abdeckung bestand aus Kunststoff mit einem starken Magneten, der es ermöglichte, das Gerät am Kühlschrank, an der Karosserie oder auf einer beliebigen geeigneten metallischen Oberfläche zu befestigen.

Da LED - Beleuchtung hier in Italien zu der Zeit sehr teuer war und kleine Geräte wie diese entweder ungeheuer teuer oder total beschissen waren, hielt ich es für eine sehr gute Idee, ein Dutzend davon zu kaufen (ich habe es zuerst mit nur einem Gerät versucht, und ich verifiziert, dass es sehr starkes Licht erzeugt und von sehr hoher Qualität ist). Ich wollte sie in jedem Raum meines Hauses und in meinem Auto als Notbeleuchtung verwenden.

Alles war in Ordnung, bis nach ungefähr 6 Monaten ein kurzer Stromausfall auftrat. Zu meiner großen Enttäuschung waren bei 10 von 12 Dingen die Batterien leer!

Natürlich war mein erster Gedanke "Crappy Leaky Soft Switch" und ich lief für mein Mikro-Amperemeter! Tatsächlich habe ich ein paar Geräte gefunden, die übermäßig hohe Leckströme (~ 1 mA) hatten, aber die anderen hatten ehrliche ~ 20 μA. Ich war verwirrt.

Ich habe alle Batterien in den auslaufarmen ausgetauscht und mich entschlossen, sie noch einmal auszuprobieren.

Nach ein paar Monaten scheiterten sie überraschenderweise wieder! Ich habe die Leckage erneut gemessen und unterschiedliche Ergebnisse erhalten. Einige Geräte wiesen die schreckliche Leckage von ~ 1 mA auf, während die anderen "normal" waren. Außerdem habe ich die beiden Einheiten, die ursprünglich eine hohe Leckage aufwiesen, erneut getestet und ... sie leckten nicht mehr !!!

Ich war satt und da ich damals keine Zeit mehr hatte, das Thema zu verschwenden, habe ich sie alle verschrottet, in eine Müllkiste gesteckt (schließlich hatten sie drei schöne und teure weiße LEDs in sich und ich plante es rette sie) und vergaß sie.

Ich habe sie vor ein paar Wochen wiedergefunden und dachte in einem Umstrukturierungsrausch daran, die Einheiten zu zerlegen und die LEDs zu retten. Also entdeckte ich, dass der interne Schaltkreis eine winzige Platine war, die nur einen Momentschalter, die LEDs, einen Treiberchip und eine Kappe enthielt. Die Platine ist auf den Fotos unten zu sehen (aus Neugier habe ich versucht, ein Datenblatt für diesen Treiberchip zu finden, aber ohne Glück).

Ich habe die Leiterplatten noch einmal getestet, nur zum Spaß, und ich habe immer noch das unregelmäßige Leckverhalten festgestellt, das ich zuvor beobachtet hatte, aber dabei habe ich endlich den Täter entdeckt.

Ratet mal, was die Ursache für dieses zufällige und unregelmäßige Auslaufen war!

Ich vermute, dass etwas mit dem starken Magneten zu tun hat (ich hätte es nicht vermutet, außer dass es eine interessante Antwort sein muss oder dass Sie die Frage nicht gestellt hätten). Vielleicht induziert das Magnetfeld irgendwo einen Strom in einer Schleife. War die Leckage höher, wenn mehr Platz zwischen den Kabeln war, die an die Batterie angeschlossen waren? Oder es könnte ein Strom in einer anderen Schleife sein.

Hier ist die Zusammenfassung meiner Untersuchungen und meiner Ergebnisse zum mysteriösen Fall des zufälligen Leckstroms.

Als ich anfing, die Einheiten zu demontieren, wurde ich auch neugierig und wollte eine rationale Ursache für dieses merkwürdige Verhalten erforschen. Ich hatte kein Glück, bis ich den Magneten fast versehentlich in die Nähe einer eingeschalteten Leiterplatte brachte. Das Amperemeter sprang auf etwa 2 mA und stabilisierte sich auf einem etwas niedrigeren Wert.

Zuerst dachte ich, es sei nur ein mechanischer Effekt aufgrund meiner Handhabung der Platine, aber nach wiederholten Tests stellte ich fest, dass es eine eindeutige Korrelation zwischen der Bewegung des Magneten in der Nähe der Platine und dieser Art von "Latch-up" gibt.

Es war jedoch keine Gewissheit, denn es hing in unklarer Weise von der Ausrichtung des Magneten und der Richtung der Bewegung sowie von der Geschwindigkeit ab, mit der ich den Magneten bewegte.

Ich konnte den wirklichen Mechanismus nicht einschätzen, aber die Ursache war klar. Das Zusammenspiel der Leiterplatte (und höchstwahrscheinlich des Treiberchips) mit dem sich bewegenden Magneten.

Ich habe auch festgestellt, dass die Verriegelung auftreten kann, wenn ein zusammengebautes Gerät in die Nähe eines massiven ferromagnetischen Körpers gebracht wird, z. B. wenn das Gerät an einen Kühlschrank angeschlossen wird. Aber das Phänomen war in diesem Fall weniger wiederholbar und unberechenbarer.

Die Optionen, die mir in den Sinn kamen, waren offensichtlich zwei:

• induzierter Strom, der durch die Änderung des Magnetflusses in Verbindung mit einer Schleife erzeugt wird
• Hall-Effekt, der das normale Verhalten einiger Halbleiterbauelemente im Treiberchip stört

Ich kann nicht mit Sicherheit sagen, welcher der wirklichen Schuldigen zwischen diesen beiden ist. Die endgültige Entscheidung überlasse ich den Experten für EE.SE, die mehr über solche Themen wissen als ich.

Ich kann nicht sicher sein, aber ich vermute, dass derjenige, der mit dem Testen des Prototyps beauftragt war, keine ordnungsgemäßen Tests durchgeführt hat, als der Magnet angebracht war. Tatsächlich war der Magnet nicht in der Rückseite der Geräte eingebaut, sondern wurde als Add-On im Paket mitgeliefert. Sie hatten die Möglichkeit, es auf die hintere Abdeckung zu kleben, da eine Seite des Magneten klebend war.

Ich hoffe, Sie haben diesen kleinen Gedankenaustausch genossen, der vage von Sir Arthur Conan-Doyles Romanen inspiriert ist.

Diese Art von Symptom riecht nach fehlendem Pulldown-Widerstand (oder Pullup-Widerstand, je nach Topologie) an einem FET-Gate. Alles ist in Ordnung, wenn das System hochfährt, ohne dass der Anlauftransient den FET aktiviert. Wenn das gelingt, ist alles in Ordnung. Wenn nicht, rastet das System in einem seltsamen Zustand ein, der es schafft, etwas Strom zu ziehen.

Mir ist aufgefallen, dass dies eine einseitige Platine ist. Das bedeutet, dass Durchgangsbohrungen nur auf einer Seite der Platine vom Lötmeniskus gehalten werden, nicht im Inneren der plattierten Bohrung und auf beiden Seiten wie bei einer zweilagigen Platine. Solche Lötstellen können bei ausreichender mechanischer Beanspruchung oder Temperaturwechselbeanspruchung schuppenförmig werden. Dies kann selbst bei einer Juwelierlupe sehr schwer zu erkennen sein. Ich habe persönlich gesehen, wie eine solche Platine auf scheinbar zufällige Weise versagte, und die visuelle Überprüfung hat das Problem nicht aufgedeckt, obwohl ich nach schlechten Lötstellen gesucht habe. Das Nachfließen jeder Verbindung und das Hinzufügen von zusätzlichem Lot behebten das Problem.

Eine weitere Ursache für solche Symptome ist, dass die Taste ständig gedrückt wird. Ich gehe jedoch davon aus, dass dies nicht der Fall ist, da die Lichter dann gar nicht erst funktioniert hätten. Diese Art von Druckknopf hat ein positives Klickgefühl. Die einzige Möglichkeit, wie dieses Problem in Ihrem Fall auftreten kann, besteht darin, dass die Schaltfläche bei den ersten drei Klicks richtig funktioniert hat und dann mit dem Klick feststeckt, der das Licht ausschaltet. Es ist unwahrscheinlich, dass so viele Einheiten für drei Klicks gut funktionieren, dann bleiben alle beim vierten hängen, also denke ich nicht, dass dies das Problem ist.

Ich kann mir Szenarien vorstellen, in denen ein schlecht gestalteter Schaltkreis unbeabsichtigt in einen Zustand geraten kann, in dem das Netzteil beim Einsetzen der Batterien ausfällt und zurückprallt. Dies hängt möglicherweise davon ab, ob die Taste zu diesem Zeitpunkt gedrückt wurde oder nicht. All diese Szenarien würden das Gerät jedoch offensichtlich sofort außer Betrieb setzen. Ich gehe davon aus, dass Sie jedes Gerät in mindestens einem EIN-AUS-Zyklus getestet haben, bevor Sie es für betriebsbereit erklärt und an eine Wand oder was auch immer geklebt haben.