Електростатичко празнење

Електростатичко празнење (EСП) — ненадеен проток на електрична енергија помеѓу два наелектризирани предмети предизвикани од контакт, краток спој или електричен пробој. Намалувањето на статичкиот електрицитет може да биде предизвикано од трибо полнеж или со електростатичка индукција. EСП се појавува кога различно наелектризирани предмети се доближуваат блиску еден до друг или кога диелектрикот меѓу нив се пробива, често создавајќи видлива искра.

ЕСП може да создаде спектакуларни електрични искри (молњата, со придружен звук на гром, е големо EСП), но исто така и помалку драматични форми кои не можат да бидат видени ниту слушнати, но сепак да бидат доволно големи за да предизвикаат оштетување на чувствителни електронски уреди. Електричните искри бараат јачина на полето над 40 kV/cm во воздух, каков што е случајот при удар на гром. Други форми на ЕСП вклучуваат коронско празнење од остри електроди и четкично празнење на тапи електроди.

ЕСП може да предизвика низа штетни ефекти од важност во индустријата, вклучувајќи ги експлозиите на гасови, горивни пареи и јагленова прашина, како и дефекти на електронските компоненти, како што се интегрираните кола. Тие можат да претрпат трајно оштетување кога се подложени на високи напони. Затоа производителите на електроника воспоставуваат електростатичко заштитно подрачје во кое нема статички електрицитет, користејќи мерки за спречување на електрично полнење, како што се избегнување на материјали подложни на полнење и мерки за отстранување на статичкиот електрицитет како што се заземјување на работници, обезбедување антистатски направи и контрола на влажноста.

Симулаторите на ЕСП може да се користат за тестирање на електронски уреди, на пример со модел на човечко тело или модел на наполнет уред.

Причини

Една од причините за настаните на ЕСП е статичкиот електрициет. Статичкиот електрицитет често се генерира преку трибо-полнеж, одвојувањето на електричните полнежи што се јавува кога два материјали се ставаат во контакт, а потоа се раздвојуваат. Примери за трибо-полнеж вклучуваат одење на килим, триење на пластичен чешел на сува коса, триење на балон на џемпер, триење од ткаенината на автомобилско седиште, или отстранување на некои видови на пластична амбалажа. Во сите овие случаи, прекинувањето на контактот меѓу двата материјали резултира со трибо-полнеж, со што се создава разлика на електричниот потенцијал што може да доведе до појава на ЕСП.

Друга причина за оштетување од ЕСП е преку електростатичка индукција. Ова се случува кога електрично наполнет објект е поставен во близина на проводен објект изолиран од земјата. Присуството на наелектризираниот објект создава електростатичко поле кое предизвикува електричните полнежи на површината на другиот објект да се редистрибуираат. Иако нето-електростатичкото полнење на објектот не е променето, сега има региони со вишок позитивни и негативни полнежи. Може да дојде до појава на ЕСП кога предметот доаѓа во контакт со спроводен пат. На пример, наелектризираните региони на површината на чаши или вреќи со стиропор може да предизвикаат потенцијал на околните компоненти чувствителни на ЕСП преку електростатичка индукција и може да дојде до појава на ЕСП ако компонентата е допрена со метална алатка.

ЕСП исто така може да биде предизвикано од енергетски наелектризирани честички кои влијаат на објектот. Ова предизвикува зголемување на површината и длабоко полнење. Ова е позната опасност за повеќето вселенски летала^[1].

Видови

Најспектакуларната форма на ЕСП е искрата што се јавува кога тешкото електрично поле создава јонизиран проводен канал во воздухот. Ова може да предизвика помали непријатности кај луѓето, сериозно оштетување на електронската опрема и пожари и експлозии ако воздухот содржи запаливи гасови или честички. Сепак, многу електростатички празнења се случуваат без видлива искра или звук. Лицето кое носи релативно мало електрично полнење може да не почувствува празнење кое е доволно за да ги оштети чувствителните електронски компоненти. Некои уреди може да бидат оштетени со празнења помали од 30V. Овие невидливи форми на ЕСП може да предизвикаат дефекти на уредот или помалку очигледни форми на деградација што можат да влијаат на долгорочната сигурност и ефикасноста на електронските уреди. Деградацијата на некои уреди може да не стане евидентна сè додека уредот не влезе подлабоко во својот животен век.

Молњи

Искра се активира кога јачината на електричното поле надминува околу 4-30 kV/cm - јачината на диелектричниот поле на воздухот. Ова може да предизвика многу брзо зголемување на бројот на слободни електрони и јони во воздухот, привремено предизвикувајќи воздухот нагло да стане електричен спроводник во процес наречен диелектричен пробој.

Можеби најдобро познат пример за природна искра е молњата. Во овој случај, електричниот потенцијал помеѓу облак и земја, или помеѓу два облаци, обично е стотици милиони волти. Резултирачката струја која тече низ каналот предизвикува огромен трансфер на енергија. Во многу помал обем, искрите можат да се формираат во воздух за време на електростатичките празнења од наполнетите објекти кои се наполнети само до 380 V (Пашенов закон).

Молња над Риман. Северна Полска.

Земјината атмосфера се состои од 21% кислород (O₂) и 78% азот (N₂). За време на електростатичко празнење, како што е молњаниот бран, погодените атмосферски молекули стануваат електрично пренатрупани. Двоатомните молекули на кислород се поделени, а потоа се рекомбинираат за да формираат озон (О₃), кој е нестабилен или реагира со метали и органска материја. Ако електричниот потенцијал е доволно висок, може да се формираат азотни оксиди ([[NO_x]]). И двата производи се токсични за животните, а азотните оксиди се од суштинско значење за азотна фиксација. Озонот ја напаѓа целата органска материја со озонолиза и се користи за прочистување на вода.

Искрите се извор на палење во запаливи средини, што може да доведе до катастрофални експлозии во концентрирани горивни средини. Повеќето експлозии можат да се следат назад кон мало електростатичко празнење, без разлика дали станува збор за неочекувано истекување на гориво што може да запали познат уред за искри на отворен простор или неочекувана искра во позната средина со богата гориво. Крајниот резултат е ист ако кислород е присутен и трите критериуми на триаголникот на пожарот се комбинирани.

Заштитување од штета на електронските уреди

Изглед на електростатички празнач на летало. Обрнете внимание на металните игли долги 1 см и заштитната жолта пластика.

Многу електронски компоненти, особено микрочипови, може да бидат оштетени од ЕСП. Чувствителните компоненти треба да бидат заштитени за време и по производството, за време на испораката и составувањето на уредот и во готовиот уред. Заземјувањето е особено важно за делотворна контрола на ЕСП. Треба да биде јасно дефинирана и редовно евалуирана.

Заштита при производство

Во производството, превенцијата на ЕСП се заснова на заштитен простор за електростатичко празнење (ЕПА). ЕПА може да биде мала работна станица или голема производствена област. Главниот принцип на ЕПА е во близина на чувствителна електроника на ЕСП да нема материјали со висок полнеж, сите спроводни материјали се заземјуваат, работниците се заземјуваат и се спречува зајакнувањето на електрониката осетлива на ЕСП. Меѓународните стандарди се користат за дефинирање на типичен EПA и може да се најдат на пример од Меѓународната електротехничка комисија (МЕК) или Американскиот национален институт за стандарди (AНИС).

Превенцијата од ЕСП во рамките на EПA може да вклучи користење на соодветен материјал за пакување заштитен од ЕСП, употребата на спроводни нишки на облека што ја носат работниците, спроведување на ленти за на рака и нога за да се спречат високите напони да се акумулираат на работните тела, антистатски душеци или спроводен материјал за тротоарите за штетно електрично полнење далеку од работната површина и контрола на влажноста. Влажните услови го спречуваат создавањето на електростатичко полнење, бидејќи тенкиот слој на влага што се акумулира на повеќето површини служи за отстранување на електричните полнежи.

Јонските генератори понекогаш се користат за инјектирање на јони во амбиенталниот воздух. Системите за јонизација помагаат да се неутрализираат наполнетите површински области на изолациски или диелектрични материјали. Изолационите материјали склони кон трибоелектрично полнење треба да се чуваат подалеку од чувствителни уреди за да се спречи случајно полнење на уредите преку индукција. На авион, електростатички празначи се користат на задните рабови на крилата и други површини.

Производителите и корисниците на интегрираните кола мора да преземат мерки на претпазливост за да се избегне ЕСП. Превенцијата од ЕСП може да биде дел од самиот уред и да вклучува специјални техники за дизајн на влезните и излезните пинови на уредот. Може да се примени и надворешна заштита на пример со дизајн на колото.

Поради диелектричната природа на компонентата и склоповите на електрониката, електростатичкото полнење не може целосно да се спречи при ракување со уредите. Повеќето електронски склопови и компоненти осетливи на ЕСП се толку мали што производството и ракувањето се вршат со автоматска опрема. Затоа активностите за превенција од ЕСП се важни со оние процеси каде што компонентите доаѓаат во директен контакт со површините на опремата. Покрај тоа, важно е да се спречи ЕСП кога чувствителна компонента за електростатичко празнење е поврзана со други проводни делови на самиот производ. Ефикасен начин да се спречи ЕСП е да се користат материјали кои не се премногу проводни, но полека ќе однесат статички трошоци. Овие материјали се нарекуваат статични дисипативни и имаат отпорност на вредности во опсег од 10⁵ до 10¹² ohm-метри. Материјалите во автоматизирано производство кои ќе допрат на проводни области од ЕСО чувствителни електрони треба да бидат направени од дисипативен материјал, а дисипативниот материјал мора да биде заземјен.

Заштита при испорака

Мрежна картичка спакувана во антистатичка кеса, кеса изработена од делумно проводлива пластика која дејствува како Фарадеев кафез, заштитувајќи ја картичката од ЕСП.

Чувствителни уреди треба да бидат заштитени за време на испорака, ракување и складирање. Набивањето и испуштањето на полнежот може да се минимизира со контролирање на отпорноста на површината и отпорноста на волуменот на материјалите за пакување. Пакувањето исто така е дизајнирано за да се минимизира фрикционото или трибоелектричното полнење на пакувањата заради триење на цевки за време на превозот, и можеби е неопходно да се вгради електростатичко или електромагнетно заштитен материјал во материјалот за пакување. Чест пример е тоа што полупроводничките уреди и компјутерските компоненти обично се испраќаат во антистатичка торба изработена од делумно спроводлива пластика, која делува како Фарадеев кафез за заштита на содржината од ЕСП.

Симулација и тестирање за електронски уреди

Електрично празнење како плазмена панделка.

За тестирање на чувствителноста на електронските уреди за EСП од човечки контакт, често се користи ЕСП Симулатор со специјално излезно коло, наречен модел на човечко тело (МЧТ). Ова се состои од капацитор во серија со отпорник. Кондензаторот е наполнет на одреден висок напон од надворешен извор, а потоа одеднаш се испушта преку отпорник во електричен приклучок на уредот што се испитува. Еден од најшироко користени модели е дефиниран во JEDEC 22-A114-B стандардот, кој одредува 100 пикофараден капацитет и 1500 оhm отпорник. Други слични стандарди се MIL-STD-883 Метод 3015 и ESD STM5.1 асоцијација на ЕСП. За примена на стандардите на Европската унија за опрема за информатичка технологија, IEC/EN 61000-4-2 се ^[2] користи тест-спецификација. Друга спецификација. (Schaffner) C = 150pF R = 330R што дава резултати со висока точност. Најчесто теоријата е таму, минимум од компаниите ја мерат реалната стапка на преживување на ЕСП. Наведени се упатства и барања за геометриите на тестираните ќелии, спецификациите на генераторот, нивоата на тестирање, стапката на испуштање и бранови, типови и точки на испуштање на производот "жртвата" и функционалните критериуми за мерење на продуктивноста на производот.

Тестот за наполнет модел (ТНМ) се користи за дефинирање на ЕСП кој уредот може да го издржи кога самиот уред има електростатичко полнење и празнења поради метален контакт. Овој вид на празнење е најчестиот вид на ЕСП во електронските уреди и предизвикува најголем дел од оштетувањата на ЕСП во нивното производство. Празнењето на ТНМ зависи главно од паразитски параметри на испуштањето и силно зависи од големината и видот на пакетот на компоненти. Еден од најшироко користените ТНМ модели за тестирање е дефиниран од ЈЕДЕК.

Други стандардизирани ЕСП тест кола вклучуваат машински модел (MM) и преносен линиски импулс (ПЛИ).

Поврзано

• Статички електрицитет
• Електричен лак
• Електромагнетен импулс
• Електростатички волтметар

Наводи

1. Henry B. Garrett and Albert C. Whittlesey: Spacecraft charging, an update; IEEE Trans. Plasma Science, 28(6), 2000.
2. „IEC/EN 641000-4-2“ (PDF).