Solución de problemas digitales y analógicos

Herramientas y técnicas para ayudar al técnico a encontrar fallas en circuitos, señales y variadores.

Las cantidades físicas se pueden representar mediante valores numéricos en analógico o digital. El método analógico se puede visualizar como una escala móvil simple en la que los valores numéricos se pueden expresar como si estuvieran ubicados en cualquier punto a lo largo de un continuo. Pueden ser cero o tener un valor positivo o negativo que sea un entero entero o una cantidad fraccionaria que se extienda desde cualquier lado del cero hasta el infinito.

Por el contrario, en el protocolo digital, el valor numérico de una cantidad física se representa mediante pasos cuantificados que solo tienen niveles discretos predeterminados. La mayoría de los sistemas digitales que se utilizan actualmente son binarios, aunque se puede utilizar una base 10, una base 16 o cualquier otra cantidad. El sistema binario se adapta bien a las aplicaciones electrónicas, porque 1 y 0 pueden representarse por la presencia o ausencia de un voltaje o por dos voltajes separados: uno alto y otro bajo. Para implementar una lógica de base 10, la cantidad de voltajes diferentes sería difícil de manejar y propensa a errores. La compensación es que en el sistema binario, se necesitan más dígitos para representar un valor dado, pero a través del milagro del procesamiento de números electrónicos, eso no es un problema.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Después de leer este artículo, debería haber aprendido sobre:
♦ Corregir voltajes altos y bajos de circuitos lógicos TTL y CMOS
♦ Características de una señal de reloj
♦ Tipos de equipos de prueba digitales
♦ Métodos de resolución de problemas para circuitos digitales y analógicos.
♦ Cómo funcionan los VFD y cómo ajustarlos de forma segura

Por supuesto, nuestro mundo real, fuera del dominio cuántico, es analógico, en lugar de digital. Por lo tanto, los equipos digitales tienen entradas que aceptarán señales analógicas. Después de la atenuación o amplificación, esta energía se traduce en flujos de pulsos digitales por medio de un dispositivo bastante simple conocido como convertidor de analógico a digital. De manera similar, generalmente se requiere que la salida sea analógica (por ejemplo, para controlar un altavoz), por lo que se necesita un convertidor de digital a analógico.

Las primeras máquinas digitales se construyeron utilizando interruptores y relés mecánicos. El calor, el tamaño, la confiabilidad y el costo pusieron límites superiores a esta tecnología. Los avances comenzaron en la década de 1940 con la introducción del diodo de estado sólido. Los transistores silenciosos y los circuitos integrados reemplazaron rápidamente las filas de relés de claqueo. Voltajes operativos mucho más bajos y consumo de energía reducido, junto con la miniaturización de componentes, ahora caracterizan los circuitos de control y comunicación electrónica que se encuentran en oficinas centrales telefónicas, salas de máquinas de ascensores y en todas las instalaciones industriales.

La lógica de transistor-transistor (TTL) generalmente se alimenta a +5 V. Si se exceden los 5.25 V, el dispositivo puede estar sujeto a daños. Cuando una puerta TTL NOR u otro dispositivo tiene un potencial de 0 a +0.8 V, la puerta responderá a una entrada lógica alta. Si es una puerta NOR inversora, la salida será lógica baja. Cuando se aplican +2 a +5 V en los terminales de entrada, la puerta responde a su anterior estado lógico bajo. Lógica alta es la respuesta si, nuevamente, el dispositivo es una puerta NOR inversora.

La tecnología de semiconductores complementarios de óxido de metal (CMOS) se utiliza ampliamente en la actualidad. A diferencia de TTL, la tensión de alimentación puede ser de +3 a +15. Los niveles alto y bajo se calculan de manera diferente a como están en TTL. Se establecen en una fracción del voltaje de suministro. Si la tensión de alimentación está entre 3 y 10 V, el nivel lógico alto es superior a 7/10 de la tensión de alimentación con una tolerancia de 0.5 V. El nivel lógico bajo es una tensión inferior a 3/10 de la tensión de alimentación, con la misma tolerancia. Sin embargo, si la tensión de alimentación está entre 10 y 18 V, los niveles lógico alto y lógico bajo son las mismas fracciones de la tensión de alimentación. Sin embargo, las tolerancias en ambos casos se elevan a 1 V.

Estas métricas pueden parecer elaboradas, pero el hecho es que en la resolución de problemas de circuitos digitales, las tolerancias son muy importantes. Si el funcionamiento es defectuoso, compruebe si estos voltajes se encuentran dentro de las especificaciones anteriores. La memoria digital está construida con pestillos básicos, que se pueden configurar a partir de puertas NOR interconectadas. Estos se denominan a menudo "flip-flops", pero este es un nombre inapropiado, ya que un pestillo es un dispositivo asincrónico, mientras que un flip-flop está sincronizado y funciona en sincronía con los pulsos de reloj. El pestillo, por el contrario, es un dispositivo asincrónico.

Los dispositivos digitales síncronos requieren circuitos de reloj, que pueden fallar. La señal del reloj es típicamente una onda cuadrada que alterna entre niveles altos y bajos con un ciclo de trabajo del 50%. Los circuitos integrados (CI) que son en absoluto complejos dependen de una señal de reloj que sincroniza el funcionamiento general. A veces, se requiere más de una señal de reloj. Las señales de reloj son generalmente monofásicas, lo que significa que se propagan por un cable, pero se han utilizado señales de reloj multifásicas. La frecuencia puede variar y esto no es necesariamente perjudicial. Un multiplicador de reloj aumenta la velocidad de funcionamiento en beneficio de un microprocesador para que pueda funcionar a una velocidad más rápida que la de otros circuitos. Las computadoras más nuevas cuentan con velocidades de reloj cada vez más rápidas, lo que mejora el rendimiento.

Herramientas de resolución de problemas

Para realizar la resolución de problemas digitales, las herramientas del oficio son un buen multímetro de alta impedancia, un osciloscopio, una sonda lógica, un generador de pulsos lógico y un rastreador de corriente digital. Estos se discutirán en las siguientes secciones.

Multímetro

El multímetro es la más básica de las herramientas de diagnóstico del técnico electrónico. En el modo de ohmios, el multímetro puede detectar puentes de soldadura entre trazas de placas de circuito adyacentes. Las juntas de soldadura en frío, los conectores de cinta defectuosos, etc., se revelan rápidamente. También es bueno para comprobar diodos y condensadores electrolíticos que se encuentran en la fuente de alimentación. En el modo de voltios, un buen multímetro es excelente para verificar rápidamente el aspecto analógico de un variador de frecuencia (VFD). Se puede verificar que la fuente de alimentación trifásica tenga los mismos voltajes entre las patas y entre cada fase y tierra. Se pueden tomar las mismas medidas en los terminales del motor. El bus de CC debe producir lecturas dentro de las especificaciones. En el modo de voltios de CA, se pueden detectar ondulaciones dañinas. Con energía apagada y con los voltajes almacenados purgados, los diodos y capacitores electrolíticos defectuosos pueden aislarse, y es probable que uno de ellos sea el malhechor. Cuando se trata de trabajo digital, el multímetro en el modo de voltios de CC se puede utilizar para determinar si los voltajes de alimentación, lógica baja y lógica alta son razonables.

Es importante destacar que cualquier medición de voltaje debe realizarse con un instrumento de alta impedancia para evitar cargar el dispositivo o circuito bajo prueba. Si se produce dicha carga, el dispositivo o los dispositivos pueden dañarse o, como mínimo, la medición no será válida. Un medidor barato de US$10 de una gran tienda puede ser suficiente para trabajos de cableado doméstico, pero para trabajos de diagnóstico digital, se necesita un multímetro de alta gama con funciones avanzadas. Espere pagar cerca de US$500.

Osciloscopio

El osciloscopio de señal mixta (MSO) es un excelente instrumento que facilita el trabajo de muchos problemas de resolución de problemas digitales que antes eran difíciles. El concepto operativo es que, muy a menudo, una forma de onda digital defectuosa como un runt (pulso de amplitud insuficiente) se activa por una anomalía en la sección analógica. El MSO es capaz de mostrar formas de onda analógicas y digitales correlacionadas simultánea y temporalmente (con el mismo eje X), lo que también es un trabajo fácil con la herramienta adecuada.

Sonda Logica

La sonda lógica es excelente para moverse rápidamente entre entradas y salidas para averiguar si el estado lógico es alto, bajo o no está presente. Consiste en un cuerpo compacto con un punto conductor en un extremo. Hay dos cables, uno rojo y otro negro. Las pinzas de cocodrilo permiten que el cable negro se conecte a la tierra del circuito o al lado negativo de la fuente de alimentación. El cable rojo debe conectarse al riel positivo de la fuente de alimentación o a cualquier terminal equivalente convenientemente ubicado.

Un interruptor deslizante en el cuerpo permite configurar la sonda lógica para el trabajo TTL o CMOS, según se desee. Consulte las instrucciones del fabricante (disponibles en línea) para interpretar los indicadores LED y / o audibles. Dado que es un dispositivo de alta impedancia, la sonda se puede tocar con casi cualquier pin o nodo de circuito sin temor a dañar el instrumento o circuito bajo prueba. Dado que la sonda lógica se alimenta desde la placa a través de los cables rojo y negro, no se requiere batería.

Pulsador lógico

Una situación común es que el circuito bajo prueba esté conectado a una etapa aguas arriba en funcionamiento. Si este es el caso, es sencillo tocar la sonda lógica con los distintos pines de entrada y salida y los puntos de prueba del circuito externo para ver si hay lógica alta o lógica baja presente en esa ubicación. Sin embargo, a veces, cuando no se observa ninguna lógica alta o baja, el solucionador de problemas querrá inyectar un pulso bueno conocido en una entrada IC o terminal de circuito. Esto se realiza mediante un pulsador lógico.

El generador de impulsos lógico se parece a la sonda lógica. Tiene un cuerpo de instrumento con una punta de sonda conductora puntiaguda y cables rojos y negros con pinzas de cocodrilo. Al igual que con la sonda lógica, el cable negro está conectado al chasis o a la tierra del circuito, y el cable rojo está conectado al riel positivo.

Trazador de corriente digital

Para solucionar con éxito los problemas de los equipos digitales, el rastreador de corriente digital, aunque se utiliza con menos frecuencia, es bastante valioso en determinadas situaciones. Superficialmente, se parece a la sonda lógica digital y al pulsador digital, pero el funcionamiento interno es totalmente diferente. Mientras que la sonda lógica y el generador de impulsos tienen electrodos conductores de punta de aguja que simplemente se tocan con las salidas digitales, el rastreador de corriente digital tiene un cabezal de captación magnética. Es sensible al campo magnético que rodea a un conductor o traza a través del cual fluye la corriente. Esto funciona tanto si el cable está aislado como si no.

Para obtener una buena lectura, es necesario sostener el trazador de corriente digital verticalmente sobre el conductor. Además, la punta del trazador de corriente tiene un punto que debe estar alineado con la dirección del flujo de corriente. Una lámpara indicadora ubicada en la punta de la sonda varía en brillo en respuesta a la cantidad de corriente. Es sensible en un amplio rango, de 1 mA a 1 amperio. Hay un control para ajustar la sensibilidad. Para ubicar una fuente o sumidero de corriente, simplemente mueva el rastreador de corriente digital a lo largo de la ruta de la corriente, observando los cambios en el brillo de la lámpara.

Con el rastreador de corriente digital, el técnico tiene la capacidad de detectar una falla dentro de un microchip, pero donde el instrumento realmente sobresale es en aislar un puente de soldadura casi invisible entre trazas adyacentes, o una junta de soldadura fría que interrumpe el flujo de electrones. Fallos como estos, una vez localizados, pueden corregirse y restablecerse el funcionamiento sin recurrir a un reemplazo masivo de dispositivos semiconductores.

Técnicas de resolución de problemas

Además de utilizar las herramientas digitales de resolución de problemas descritas anteriormente, existen algunos otros procedimientos que son efectivos para identificar circuitos y componentes defectuosos. Los siguientes comentarios son aplicables tanto a problemas digitales como analógicos.

A menudo, un equipo electrónico contiene subsistemas paralelos, parcial o totalmente idénticos. Un ejemplo sería un banco de ascensores o un solo ascensor que da servicio a varios pisos. Los sensores y controles de las puertas suelen ser sustancialmente idénticos. En tales casos, las partes pueden intercambiarse para ver si la falla se mueve.

Otro ejemplo es el equipo de sonido estéreo. Los componentes como los altavoces o los cables de los amplificadores finales a los altavoces se pueden cambiar para ver si el funcionamiento se ve afectado. En casos como estos, el sistema anteriormente fallado funcionará normalmente y el sistema anteriormente bueno dejará de funcionar. De manera similar, si hay dos elementos idénticos separados, es posible cambiar componentes como un procedimiento de diagnóstico. La viabilidad de esta técnica tiene mucho que ver con la dificultad física de realizar el cambio. A veces, es más prudente usar técnicas más pasivas, como monitorear la operación con un multímetro, uno o más amperímetros de pinza (a veces usando la función "Hold", por ejemplo, para conservar un registro del consumo de corriente en tres fases piernas durante un período de horas).

Se puede aprender mucho observando los métodos de los técnicos de reparación de televisores, porque este es un campo muy extenso y bien documentado. Un problema persistente que surge en todo tipo de equipos, tanto digitales como analógicos, es el funcionamiento intermitente. Esto puede ser difícil de diagnosticar en términos de aislar el componente defectuoso, porque la falla tiene una forma de desaparecer precisamente cuando se intenta la reparación. El problema, ya que puede ser sensible al calor o las vibraciones, tiende a aparecer y desaparecer. A veces, hay una grieta invisible en una placa de circuito impreso o en un componente, como una resistencia de alambre enrollado, que se abre y se cierra en respuesta a los cambios de temperatura. Los técnicos de TV a menudo calientan o enfrían los componentes uno a la vez para ver si la falla surge o desaparece. Esto se puede hacer usando un soldador sostenido a cierta distancia por encima de un microchip para calentarlo lo suficiente como para resaltar la falla, pero no lo suficiente como para dañarlo si se demuestra que no está defectuoso. Alternativamente, existe un "enfriador de componentes" disponible comercialmente en una lata de aerosol. Si el aerosol se dirige al presunto culpable, se enfriará repentinamente y la falla desaparecerá. (Esta técnica es buena solo para diagnóstico y no es efectiva como reparación. El enfriador de componentes también se usa para preenfriar semiconductores con cables cortos para que no se dañen durante la soldadura).

Otra técnica de diagnóstico que se puede utilizar con buenos resultados es eliminar los componentes cuestionables que no son esenciales para el correcto funcionamiento del sistema en su conjunto. Por ejemplo, se pueden conectar varios teléfonos a jacks dispuestos en topología en estrella. Sucede que si uno de los teléfonos tiene un cortocircuito interno de línea a línea, arrastrará el sistema en su conjunto. Específicamente, no habrá tono de marcación. Los teléfonos se pueden desconectar uno a la vez para ver si se restablece el funcionamiento. Toda la instalación se puede probar desconectando un cable de cada par en sucesión en the source. Se puede usar una técnica similar para los interruptores de circuito de falla a tierra en un circuito derivado de las instalaciones o computadoras individuales conectadas a un concentrador, conmutador o enrutador Ethernet a través de cableado de Categoría 5e u otros medios.

Una lección final que podemos aprender del técnico de servicio de TV es cómo realizar una operación de rastreo de señales. Una señal de radiofrecuencia, de frecuencia intermedia o de audio, video o compuesta derivada de un generador de señales se inyecta en la entrada de una etapa apropiada. Luego, se toman lecturas del osciloscopio en salidas sucesivas, observando la distorsión o ausencia de la señal. Los esquemas de servicio contienen de manera característica gráficos en ubicaciones seleccionadas en los circuitos representados, que muestran cómo debería aparecer una pantalla normal. Con esta información en la mano, el siguiente paso es concentrarse en el componente defectuoso.

Tecnología moderna

Los variadores de frecuencia de motores de CA electrónicos de estado sólido, junto con los motores de inducción trifásicos, han reemplazado en gran medida a los viejos motores de CC en las salas de máquinas de los ascensores. Los motores de CC son de construcción simple y se pueden invertir fácilmente, como se requiere para el funcionamiento del ascensor, simplemente invirtiendo la polaridad del suministro eléctrico de dos cables. Además (y también necesario para el funcionamiento del ascensor), la velocidad del motor se puede cambiar fácil y suavemente ajustando la corriente a través de los devanados de campo. Todo esto se lleva a cabo sin tener que recurrir a una costosa caja de cambios, lo que podría provocar un largo tiempo de inactividad en caso de avería.

El eslabón débil de esta cadena era el conjunto de escobillas y conmutador. Debido al inevitable arco eléctrico y al desgaste mecánico debido a la fricción con el conmutador, las escobillas siempre tenían una vida útil limitada y, aunque cambiarlas no era un trabajo difícil, era algo que había que hacer. Si esto no siempre sucediera a tiempo, el conmutador podría dañarse, lo que requeriría una reparación que consumiría mucho más tiempo.

La dirección podía invertirse, pero la velocidad no podía regularse fácilmente en los primeros motores de inducción trifásicos, y durante muchas décadas, los motores de CC impulsaron la mayoría de los ascensores, aunque la CA tuvo que rectificarse para alimentarlos. Todo esto cambió abruptamente en la década de 1960 con la introducción del variador de frecuencia (VFD). También llamado "variador de velocidad ajustable", la terminología puede referirse al variador electrónico más motor, o al variador solo.

La operación básica es simple y generalmente se lleva a cabo dentro de un gabinete refrigerado por ventilador o por convección. La alimentación de CA trifásica entrante se rectifica y filtra utilizando diodos estándar y condensadores electrolíticos. La energía razonablemente libre de ondulaciones se mueve a través de un bus de CC de tres conductores a una sección de inversor donde se sintetiza una alimentación de CA y posteriormente se alimenta a través de conductores de tamaño apropiado al motor. La forma de onda única de la salida del VFD hace posible el rango de pares y velocidades del motor.

Si intentamos ajustar la velocidad de un motor de CA variando el voltaje aplicado al estator, las rpm del rotor se pueden reducir un poco, pero este método no es satisfactorio, porque la velocidad más lenta va acompañada de un gran aumento de calor, ya que el motor está, en efecto, sobrecargado cuando se opera por debajo de la tensión nominal. La salida del VFD, en lugar de una onda sinusoidal de amplitud variable, consta de una serie de ondas cuadradas. Se puede hacer que varíen los anchos de pulso, que comprenden diferentes ciclos de trabajo. Al reducir el pulso, el motor puede ralentizarse sin un aumento de calor dañino y sujeto solo a la reducción de rpm de un ventilador de enfriamiento que puede estar conectado al eje. El enfriamiento compensatorio se puede lograr por otros medios si es necesario.

La sección del inversor del VFD está, necesariamente, conectada al controlador de movimiento del ascensor con una interfaz humana, sensores de puerta, interconexión de alarma contra incendios, etc.

Preguntas de refuerzo del aprendizaje

Utilice las siguientes preguntas de refuerzo del aprendizaje para estudiar para el Examen de evaluación de educación continua disponible en línea en www.elevatorbooks.com o en la p. 129 de este número.
♦ ¿Cuáles son los voltajes de funcionamiento para la lógica TTL y CMOS?
♦ ¿Es siempre perjudicial que la frecuencia de la señal de un reloj varíe? ¿Por qué o por qué no?
♦ ¿Cuáles son las secciones principales de un VFD?
♦ ¿Cómo revela un osciloscopio MSO secciones defectuosas de un VFD?
♦ ¿Cuáles son las herramientas digitales de resolución de problemas más utilizadas?