Статичну електрику і електронні компоненти
При роботі з електронними компонентами, чіпами, зібраними електронними - обчислювальними пристроями часто виникає питання - наскільки небезпечно статичну електрику для них і як з ним боротися?
Тут я розповім про статичному електриці і захисту від нього.
електростатика
Електростатика - розділ вчення про електрику, що вивчає взаємодію нерухомих електричних зарядів.
Між однойменно зарядженими тілами виникає електростатичне (або кулоновское) відштовхування, а між різнойменно зарядженими - електростатичне тяжіння. Явище відштовхування однойменних зарядів лежить в основі створення електроскопа - приладу для виявлення електричних зарядів.
Наочне дію закону Кулона
В основі електростатики лежить закон Кулона. Цей закон описує взаємодію точкових електричних зарядів.
Закон Кулона має вигляд:
тут # 949; 0 = 8,85x10 -12 Ф / м - електрична постійна.
Простий приклад дії закону Кулона і наочно спостережуваний - перенесення електростатичного заряду на кисть з тонких еластичних волосків.
Властивості електричного заряду
Заряд буває двох видів, званих позитивним і негативним:
заряди одного виду відштовхуються одна від одної, заряди різних видів - притягуються, причому сила відштовхування дорівнює по модулю силі притягання;
число позитивних і негативних зарядів в речовині однакове.
Повний електричний заряд ізольованої системи зберігається.
Величина заряду може приймати тільки дискретні значення:
мінімальний заряд частинки e = 1.60 · 10-19 Кл;
будь-який заряд q кратний мінімального, тобто q = Ne, де N - ціле число;
мінімальні позитивний і негативний заряди рівні за абсолютною величиною.
Електричне поле
Заряд змінює властивості навколишнього його простору, тобто він створює навколо себе щось матеріальне, за допомогою чого здійснюється взаємодія між зарядами. Це щось і називається електричним полем. Поле характеризується величиною напруженості, яка чисельно дорівнює силі, що діє на одиничний заряд:
Напрямок вектора напруженості збігається з напрямком сили, що діє на заряд.
потенціал ( # 966; ) Чисельно дорівнює потенційної енергії (Wp). якою володів би в даній точці поля позитивний одиничний заряд (q). Робота по перенесенню заряду q з точки 1 в точку 2 може бути записана як:
Тоді, так як потенціал на нескінченності вважаємо рівним нулю то можна сказати, що потенціал дорівнює роботі, яку здійснюють сили поля над одиничним позитивним зарядом при видаленні його з цієї точки на нескінченність.
Одиницею потенціалу є Вольт.
1В - це потенціал в такій точці, для переміщення в яку з нескінченності заряду в 1Кл потрібно затратити роботу в 1Дж.
Потенціал поля, створюваного системою зарядів дорівнює сумі алгебри потенціалів, створюваних кожним із зарядів окремо:
Напруженість електричного поля
Виникнення електростатичних зарядів
Електричні заряди на поверхні матеріалів можуть виникати при розриві їх контакту між ними, деформації матеріалів, при терті матеріалів одна об одну.
В результаті зіткнення двох матеріалів на їх поверхні може виникати подвійний електричний шар після обміну зарядами між контактуючими поверхнями. Цей обмін викликаний різними енергетичними станами контактуючих поверхонь. Визначає обмін зарядами - робота виходу електронів в контактують металах. Контактує матеріал, робота виходу у якого менше втрачає електрони, значить його поверхню заряджається позитивно. Матеріал же з більшою роботою виходу приймає електрони і заряджається негативно. При цьому чим більша різниця роботи виходу, тим сильніше заряджається межа розділу. Якщо молекули на поверхні одного з матеріалів поляризовані, то в місці контакту вони поляризують молекули іншого матеріалу і при цьому на поверхнях після розриву контакту залишаються заряди за рахунок поляризації.
Накопичення статичного заряду при ходьбі
Освіта електричних зарядів на поверхнях відбувається і при терті їх одна об одну. Це відбувається через багаторазового послідовного контакту нерівностей їх поверхонь супроводжується електризацією їх поверхонь. Кількість контактують ділянок при терті більше ніж при зіткненні, тому поверхневий заряд багато більше.
Графічне представлення накопичення електростатичного заряду при ходьбі або терті
При деформації діелектриків, за рахунок механічних напружень відбувається електризація їх поверхні.
Виникнення різнойменних зарядів при відриві плівки з поверхні діелектриків які можуть бути настільки великими, що можна спостерігати іскріння. наприклад при різкому відриві скотча від діелектричної поверхні.
Накопичення зарядів в матеріалах
При певних умовах заряд в може зберігатися тривалий час або навіть накопичуватися. Непровідні або погано проводять матеріали мають здатність зберігають статичну електрику мають об'ємний опір не менше 10 12 ом х м і питомий поверхневий опір не менше 10 12 ом х квадрат.
Заряд може переноситися на електропровідні об'єкти і накопичуватися на них. Наприклад на людину. Це відбувається якщо опір стікання заряду на землю великою.
Здатність накопичувати заряд тілом описується його ємністю С.
Чим більше ємність, накопичує заряд тіла, щодо навколишніх предметів тим більше заряд накопичений на тілі, тим більше потенціал тіла і енергія накопичена в результуючому заряді.
Енергія W накопичена на ємності С дорівнює:
При досягненні певної величини зростання накопиченого заряду і напруги на носії заряду припиняється. Вони обмежені пробивним напругою повітря, який іонізуючи в електричному полі заряду створює провідність для стікання заряду.
Якщо є два тіла з різними потенціалами (якщо різниця їх потенціалів більше нуля) між ними є електричне поле напруженістю U = # 966; 1 - # 966; 2. то при створенні провідності між цими двома тілами (r пр) між ними починає текти струм IС. максимальна величина якого визначається опором провідності.
Форма цього струму:
Імпульс статичного розряду стандарт IEC61000-4-2
У разі якщо стикаються два тіла одне з яких має на поверхні ізолюючу плівку (покриття), то до цього покриття прикладається все електричне поле. Якщо електрична міцність покриття менше прикладеного електричного поля то іонізація атомів покриття в доданому електричному полі призводить до розвитку електричного пробою покриття і стікання заряду з одного об'єкта на інший до досягнення їх рівності.
Людина може нести на своєму тілі заряд, що створює напругу щодо навколишніх предметів величиною 10 кВ, а іноді і більше 20 кВ. Накопичення заряду відбувається коли тіло ізольовано.
Характеристики тіла людини
Як правило при енергії електростатичного розряду десятки мікро джоулів і напругою кілька кіловольт з рук людини він не відчуває їх.
Ми не повинні забувати, що електростатичний розряд може відбуватися не тільки з зарядженого оператора - людини, але і з зарядженого зразка електронної техніки на заземленого оператора, так і коли оператор - прилад заряджені до різної величини напруги або зарядами протилежного знака.
Результатом впливу електростатичних розрядів можуть бути:
- розрив сполучних провідників,
- коротке замикання металізації,
- руйнування діелектриків,
- догляд параметрів електронних компонентів.
Дефекти викликані електростатичними розрядами з різними параметрами
Деформація і розплавлення металевих елементів, руйнування сплавних елементів.
Непрямим впливом є електростатичний розряд як джерело електромагнітних завад.
Вони можуть бути кондуктивно (навідні на шини харчування, заземлення) і випромінюваними. Випромінювані перешкоди виникають коли розряд відбувається поблизу системи і перешкоди потрапляють на входи через ємність зв'язку для електричного поля або через індуктивний зв'язок для магнітного поля. Випромінювані електромагнітні перешкоди від електростатичних розрядів зазвичай не викликають пошкоджень. Переважним впливом їх на об'єкти електронної техніки є короткочасні збої.
Методи зниження електростатичних зарядів
Поліпшення антистатичних характеристик матеріалів за рахунок створення об'ємної провідності
До конструкційних і обробних матеріалів приміщень де працюють з комп'ютерною та електронною технікою пред'являються взаємно виключають вимоги.
- Це хороші ізоляційні властивості для запобігання ураження електричним струмом,
- Для видалення електростатичних зарядів з їх носіїв необхідна деяка електропровідність у них.
Для створення деякої провідності оздоблювальних і конструкційних матеріалів застосовуються антистатичні присадки. Наприклад для електропровідний гуми застосовують як антистатической присадки - сажу. Якщо звичайний вулканізований каучук має провідність близько 10 13 Ом м і після добавки вуглецю у вигляді сажі вона падає до 10 5 Ом м
Вологість і її вплив
Важливу роль при електростатичних явищах має відносна вологість повітря.
Ці проблеми рідко виникають при відносній вологості повітря більше 50-60%. І не дивлячись на те що вологе повітря має більш низьку провідність, працює не провідність повітря, а тонка плівка вологи адсорбируемого на поверхнях діелектриків, за рахунок вмісту в цій волозі іонів створюють підвищену провідність.
Причому для різних матеріалів оптимальною буде різна вологість.
При вологості 60% і вище електростатичні розряди не утворюються. Але при цьому можуть виникнути технологічні та гігієнічні проблеми в приміщеннях з таким рівнем вологості.
Детальніше див. Посилання 2 в кінці.
Для підвищення поверхневої провідності застосовують обробку поверхні поверхнево активними речовинами, які покращують адсорбція вологи на поверхні.
Нейтралізатори електричного заряду
До нейтралізатор для апаратного забезпечення створює потік або хмара позитивних або негативних іонів, які осідаючи на електризуватися поверхню нейтралізують заряди на їх поверхні.
Крім того іони створюють підвищену провідність повітря.
Захист радіоапаратури від впливу електростатичного електрики
Заземлення не є захистом про статичних зарядів, але воно необхідне для обмеження зарядів, які накопичуються на ізоляційних матеріалах і можуть потрапити на провідні конструкції установок.
Для статичної електрики, об'єкт вважається заземленим якщо опір заземлення має величину порядку! 0 7 Ом при відносній вологості 60%.
Для попередження виведення з ладу електронної апаратури застосовуються такі методи.
- Застосування елементної бази з максимальною стійкістю до дії ЕСР
- Використання схемотехнической захисту від перенавряженій у вхідних - вихідних ланцюгах.
- Створення раціонального заземлення,
- Екранування вузлів і блоків.
- Обмеження доступу до ланцюгів і блокам,
- Вибір матеріалів та покриттів
- Усунення різниці потенціалів на матеріалах,
- Використання спеціальної тари і транспорту,
- Застосування засобів зняття ел. статичних зарядів з тіла операторів,
- нейтралізація зарядів
- заземлення об'єктів
- Підвищення поверхневої провідності матеріалів за рахунок обробки матеріалів і створення оптимальної вологості,
- Нейтралізація ел. статичних зарядів,
- Антистатическая обробка приміщення,
- Індивідуальна антистатична захист персоналу.
Просте засіб для зняття статичного електричного заряду з тілі людини - оператора.
Для зняття електричного заряду з тіла людини - оператора на виробництва, в майстернях та й в домашній лабораторії застосовується антистатичний браслет.
Його зовнішній вигляд показаний на рис.5.
Ремінець такого браслета виконаний з слабо провідного матеріалу, електричний контакт з якими виконано за допомогою спеціальної конструкції дозволяє підключити до браслету спеціальний провід зі Штеккер. У нього повинен бути вбудований резистор 1 мОм. який дозволяє заряду стікати з тіла людини без відчуття цього процесу (як відбувається при безпосередньому торканні пальцем "землі").
Увага!
Попередження самодельшікам!
Всі хто самі намагаються виготовити антистатичний браслет повинні пам'ятати, що його не можна підключати звичайним проводом до "землі" або клеми заземлення!
У антистатичному браслеті підключення до "землі" має здійснюватися через опір 1 мОм!
Інакше Ви можете втратити руку або загинути від ураження електричним струмом!