Consejos para el diseño de circuitos: protección de los circuitos eléctricos frente a la humedad
Me enorgullece ser meticuloso cuando compruebo mis diseños. Puedo pasar horas comprobando esquemáticos, huellas y que los valores de los componentes son correctos antes de finalizar un diseño. Por desgracia, no pongo ese mismo empeño y perfeccionismo en mis tareas del hogar. Cualquier empleado de la limpieza se horrorizaría por el polvo que tengo acumulado por los rincones de la casa.
Recuerdo con vergüenza que una vez se me olvidó lavar una bandeja de platos, y esta se convirtió en la madriguera de una familia de cinco lagartijas. Si tu PCB se encuentra en un lugar húmedo y oscuro, estos simpáticos reptiles serán solo uno de tus muchos problemas. Por este motivo, es importante diseñar tu placa teniendo en cuenta el entorno. Los entornos húmedos son todo un reto y, por ello, hay que sopesar qué puede ir mal y cómo evitar que los componentes electrónicos se estropeen.
A continuación, veremos cómo la humedad puede afectar a los componentes electrónicos y reducir la vida útil de tu sistema:
Si quieres saber cómo proteger tus dispositivos electrónicos de la humedad, puedes leer cualquiera de las siguientes secciones y aprender con nuestros consejos de diseño:
Cómo puede la humedad afectar a tu PCB
La humedad es la cantidad de vapor de agua que hay en el ambiente en términos de humedad relativa. A menos que estés en el desierto, casi cualquier área del planeta es húmeda, y el agua puede condensarse en superficies frías. Cuando el entorno es más húmedo, más agua puede condensarse en las superficies frías. Un problema habitual causado por la humedad es la formación de gotas de agua sobre componentes electrónicos, particularmente PCB, ya que corroe las pistas de cobre. La condensación en una PCB alimentada puede derivar en cortocircuitos y dañar otros componentes. Además de dañar directamente la PCB, los ambientes húmedos atraen a reptiles e insectos que pueden provocar cortocircuitos. En una PCB u otro dispositivo electrónico, la protección de circuitos eléctricos frente a la humedad tiene un doble propósito:
- Mantener el aire húmedo lejos de componentes electrónicos sensibles.
- Evitar que el agua condensada cree cortocircuitos.
Pero, ¿cómo puede afectar la humedad a tus componentes electrónicos durante el funcionamiento?
1. Cortocircuitos
Si en el entorno hay mucha humedad y esta llega a la PCB, lo más habitual es que se produzca un cortocircuito. Cualquiera que accidentalmente vierta agua en su portátil verá, con horror, como la imagen de la pantalla se desvanece. El agua es un gran conductor, y una sobretensión en un dispositivo durante un cortocircuito puede hacer que la sección completa de una placa falle, o que se queme completamente un componente.
Protección de circuitos eléctricos frente a la humedad: las gotas de agua pueden causar cortocircuitos
2. Corrosión
Cuando la PCB se expone a la condensación, el agua puede hacer que los conductores se corroan. El metal expuesto de la PCB se puede corroer de diversas formas.
- Atmosférica: cuando el aire es húmedo, se puede producir una reacción, por la cual los iones de metal se unen a átomos de oxígeno, formando un óxido. Estos óxidos son aislantes, lo que incrementa ligeramente la resistencia de un conductor expuesto. Los óxidos son además mecánicamente débiles y se fracturan con facilidad.
- Filamentación electrolítica: cuando el agua sobre el metal expuesto contiene algunos electrolitos disueltos, las estructuras de las dendritas pueden empezar a crecer sobre la superficie mientras la corriente eléctrica fluye a través de la solución. Además de los revestimientos conformados (ver más abajo), el metal expuesto debería limpiarse exhaustivamente antes del chapado.
- Galvánica: la corrosión galvánica ocurre entre metales diferentes ante la presencia de una sal disuelta. Al contrario que la filamentación electrolítica, esto ocurre con independencia de la presencia de una corriente eléctrica.
- Por frotamiento: este tipo de corrosión ocurre cuando los interruptores chapados con soldaduras se cierran. Cuando el interruptor se cierra, la capa de óxido de la superficie se puede eliminar mediante fricción. Si hay agua sobre el metal expuesto, el metal se oxidará. La corrosión sucede tras un período de tiempo importante.
Estos mecanismos de corrosión se evitan o ralentizan con un chapado en la superficie de las pistas expuestas (ENIG, ENIPEG, Ni-Au, etc.).
Cómo proteger los dispositivos electrónicos de la humedad
Con los problemas que puedan surgir de la humedad en una PCB, hay algunos elementos de protección de un circuito eléctrico que pueden adoptarse para evitar que la humedad dañe los componentes sensibles.
1. Revestimiento conformado y caja
Por supuesto, la solución más sencilla para que tus componentes electrónicos estén protegidos de la humedad es aplicar un revestimiento conformado a la placa. Así se logra una buena protección frente al entorno, siempre que el revestimiento no sea poroso y se haya curado por completo. La idea es revestir la PCB y el cobre expuesto; algunos materiales representativos son acrílico, uretanos y silicona. La desventaja de este enfoque pasivo es que hacer cambios posteriormente en la PCB puede ser complicado y requiere retirar el revestimiento para poder extraer los componentes. Habrá que volver a aplicar el revestimiento cuando se hayan terminado las modificaciones.
El revestimiento conformado apropiado aporta otros beneficios además de la protección frente al entorno. Los revestimientos con absorción electromagnética pueden ayudar a reducir las interferencias electromagnéticas (EMI) de placas ruidosas a frecuencias de muchos MHz. Tales EMI radiadas normalmente se producen en PDN con un acoplamiento insuficiente.
2. Ventilador de succión
Algunos sistemas embebidos se ubican normalmente en cajas industriales, y la humedad que queda atrapada puede ser un problema grave. Instalar un ventilador que expulse el aire de la carcasa es una solución nada elegante, pero que ayuda a reducir los niveles de humedad. Es como los ventiladores de los cuartos de baño.
3. Gel de sílice
Sé que no es una solución muy refinada, pero colocar un paquete de gel de sílice en la caja de tu PCB ayuda a reducir el contenido de humedad del aire. Por alguna razón la vitamina C viene con un paquete de gel de sílice. El gel de sílice absorbe el agua del aire húmedo, por lo que habrá poca o nada de agua para absorber de los conductores de la PCB.
Por desgracia, el gel de sílice es solo eficaz como absorbente de la humedad a temperaturas inferiores a 60 °C. Por encima de esta temperatura, el equilibrio de absorción hará que el agua que el gel haya absorbido pase de nuevo a vapor, revirtiéndose al entorno.
El gel de sílice es un desecante eficaz para la protección de circuitos eléctricos frente a la humedad
Se pueden utilizar otros absorbentes, en vez del gel de sílice, para retirar de las vías la humedad y otros gases que se encuentran en el entorno. La alúmina activada es un desecante comercial eficaz, con una capacidad de absorción de la humedad menor a bajas temperaturas, pero superior a altas. El carbón activado es otra alternativa utilizada como adsorbente de olores y gases tóxicos en máscaras militares, y puede utilizarse para retirar los gases corrosivos y la humedad del entorno. Los compuestos que contienen fósforo y sales metálicas son otras opciones que proporcionan otra serie de beneficios. Si tu sistema se despliega en un entorno único con gases corrosivos y una alta humedad, puedes considerar utilizar uno de estos desecantes alternativos para proteger tus componentes electrónicos.
4. Elementos calefactores
Convertir tu sistema embebido en un minicalefactor inteligente es una forma eficaz de atajar los problemas de humedad. Esto ofrece buenos resultados con sistemas embebidos colocados en cajas industriales para aplicaciones de exterior. He utilizado un elemento calefactor para reducir la humedad relativa y evitar la humectación en máquinas de aparcamientos de vehículos, donde la condensación puede ser muy alta durante la mañana.
En vez de calentar acríticamente el aire, se puede instalar un sensor de humedad y temperatura en la caja, junto con un elemento calefactor. Se puede emplear un sencillo sistema de control proporcional, integral y derivativo (PID) para regular la temperatura del aire en función de las mediciones de temperatura, humedad relativa y presión. Si la temperatura del aire es demasiado baja, puedes incrementar la temperatura del aire circundante con el elemento calefactor. Idealmente, esto colocará al sistema por encima del punto triple del agua en ese entorno concreto. Y, a su vez, reducirá la probabilidad de formación de gotas de agua.
Elementos de protección de un circuito eléctrico: aumentar el calor reduce la humedad relativa
Ten cuidado con este tipo de sistema de control si no quieres calentar la placa y los componentes a una temperatura excesivamente alta. Cuando los componentes alcanzan una temperatura alta, se acelera su desgaste y pueden estropearse antes. En casos extremos, cuando la temperatura es demasiado alta, hay componentes que pueden fallar por completo. Se saca mayor partido de esta técnica cuando se coloca un elemento calefactor en el extremo exterior de la caja para que el elemento caliente el aire que entra. Esta técnica también es más apropiada para entornos en los que la temperatura del aire externo y la humedad relativa son altas. Si la presión está ya cerca del punto triple, entonces el elemento calefactor puede hacer que la temperatura del aire esté por encima del punto triple y ayudar a evitar la condensación.
Puedes construir fácilmente un sistema de control con ayuda de un software de código abierto y un hardware sencillo, o puedes implementar las otras recomendaciones importantes en tu nueva placa si usas un software de diseño de placas de circuito como Circuit Studio de Altium, y comparar con la lista BOM antes de ajustar tus parámetros de calefacción.