Μηχανισμός παραγωγής στατικού ηλεκτρισμού

Συνήθως, ο στατικός ηλεκτρισμός παράγεται λόγω τριβής ή επαγωγής.

Ο στατικός ηλεκτρισμός τριβής παράγεται από την κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων που παράγονται κατά την επαφή, την τριβή ή τον διαχωρισμό μεταξύ δύο αντικειμένων. Ο στατικός ηλεκτρισμός που αφήνει η τριβή μεταξύ των αγωγών είναι συνήθως σχετικά ασθενής, λόγω της ισχυρής αγωγιμότητας των αγωγών. Τα ιόντα που δημιουργούνται από την τριβή θα κινηθούν γρήγορα μαζί και θα εξουδετερωθούν κατά τη διάρκεια και στο τέλος της διαδικασίας τριβής. Μετά την τριβή του μονωτή, μπορεί να δημιουργηθεί υψηλότερη ηλεκτροστατική τάση, αλλά η ποσότητα φόρτισης είναι πολύ μικρή. Αυτό καθορίζεται από τη φυσική δομή του ίδιου του μονωτή. Στη μοριακή δομή ενός μονωτή, είναι δύσκολο για τα ηλεκτρόνια να κινούνται ελεύθερα ελεύθερα από τη δέσμευση του ατομικού πυρήνα, επομένως η τριβή έχει ως αποτέλεσμα μόνο μια μικρή ποσότητα μοριακού ή ατομικού ιονισμού.

Ο επαγωγικός στατικός ηλεκτρισμός είναι ένα ηλεκτρικό πεδίο που σχηματίζεται από την κίνηση ηλεκτρονίων σε ένα αντικείμενο υπό τη δράση ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου όταν το αντικείμενο βρίσκεται σε ηλεκτρικό πεδίο. Ο επαγωγικός στατικός ηλεκτρισμός μπορεί γενικά να παραχθεί μόνο σε αγωγούς. Η επίδραση των χωρικών ηλεκτρομαγνητικών πεδίων στους μονωτές μπορεί να αγνοηθεί.

Μηχανισμός ηλεκτροστατικής εκκένωσης

Ποιος είναι ο λόγος για τον οποίο το ηλεκτρικό δίκτυο 220 V μπορεί να σκοτώσει ανθρώπους, αλλά χιλιάδες βολτ στους ανθρώπους δεν μπορούν να τους σκοτώσουν; Η τάση κατά μήκος του πυκνωτή πληροί τον ακόλουθο τύπο: U=Q/C. Σύμφωνα με αυτόν τον τύπο, όταν η χωρητικότητα είναι μικρή και η ποσότητα φόρτισης είναι μικρή, θα δημιουργηθεί υψηλή τάση. «Συνήθως, η χωρητικότητα των σωμάτων και των αντικειμένων γύρω μας είναι πολύ μικρή. Όταν δημιουργείται ηλεκτρικό φορτίο, μια μικρή ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου μπορεί επίσης να δημιουργήσει υψηλή τάση.» Λόγω της μικρής ποσότητας ηλεκτρικού φορτίου, κατά την εκφόρτιση, το παραγόμενο ρεύμα είναι πολύ μικρό και ο χρόνος είναι πολύ μικρός. Η τάση δεν μπορεί να διατηρηθεί και το ρεύμα πέφτει σε εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα. «Επειδή το ανθρώπινο σώμα δεν είναι μονωτήρας, τα στατικά φορτία που συσσωρεύονται σε όλο το σώμα, όταν υπάρχει μια διαδρομή εκφόρτισης, θα συγκλίνουν. Ως εκ τούτου, αισθάνεται ότι το ρεύμα είναι υψηλότερο και υπάρχει μια αίσθηση ηλεκτροπληξίας». Αφού δημιουργηθεί στατικός ηλεκτρισμός σε αγωγούς όπως ανθρώπινα σώματα και μεταλλικά αντικείμενα, το ρεύμα εκφόρτισης θα είναι σχετικά μεγάλο.

Για υλικά με καλές μονωτικές ιδιότητες, το ένα είναι ότι η ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου που δημιουργείται είναι πολύ μικρή και το άλλο είναι ότι το παραγόμενο ηλεκτρικό φορτίο είναι δύσκολο να ρέει. Αν και η τάση είναι υψηλή, όταν υπάρχει κάπου μια διαδρομή εκφόρτισης, μόνο η φόρτιση στο σημείο επαφής και σε μια μικρή περιοχή κοντά μπορεί να ρέει και να εκφορτιστεί, ενώ η φόρτιση στο σημείο μη επαφής δεν μπορεί να εκφορτιστεί. Επομένως, ακόμη και με τάση δεκάδων χιλιάδων βολτ, η ενέργεια εκφόρτισης είναι επίσης αμελητέα.

Κίνδυνοι από στατικό ηλεκτρισμό σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα

Ο στατικός ηλεκτρισμός μπορεί να είναι επιβλαβήςLEDs, όχι μόνο η μοναδική «πατέντα» των LED, αλλά και κοινώς χρησιμοποιούμενες δίοδοι και τρανζίστορ από υλικά πυριτίου. Ακόμη και τα κτίρια, τα δέντρα και τα ζώα μπορούν να καταστραφούν από τον στατικό ηλεκτρισμό (οι κεραυνοί είναι μια μορφή στατικού ηλεκτρισμού και δεν θα το εξετάσουμε εδώ).

Λοιπόν, πώς ο στατικός ηλεκτρισμός βλάπτει τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα; Δεν θέλω να πάω πολύ μακριά, μιλώντας μόνο για συσκευές ημιαγωγών, αλλά περιορίζομαι σε διόδους, τρανζίστορ, IC και LED.

Η ζημιά που προκαλείται από τον ηλεκτρισμό σε εξαρτήματα ημιαγωγών περιλαμβάνει τελικά ρεύμα. Υπό τη δράση ηλεκτρικού ρεύματος, η συσκευή καταστρέφεται λόγω θερμότητας. Εάν υπάρχει ρεύμα, πρέπει να υπάρχει τάση. Ωστόσο, οι δίοδοι ημιαγωγών έχουν συνδέσεις PN, οι οποίες έχουν ένα εύρος τάσης που εμποδίζει το ρεύμα τόσο προς την εμπρός όσο και προς την αντίστροφη κατεύθυνση. Το εμπρός φράγμα δυναμικού είναι χαμηλό, ενώ το αντίστροφο φράγμα δυναμικού είναι πολύ υψηλότερο. Σε ένα κύκλωμα, όπου η αντίσταση είναι υψηλή, η τάση είναι συγκεντρωμένη. Αλλά για τα LED, όταν η τάση εφαρμόζεται προς τα εμπρός στο LED, όταν η εξωτερική τάση είναι μικρότερη από την τάση κατωφλίου της διόδου (που αντιστοιχεί στο πλάτος του διακένου ζώνης υλικού), δεν υπάρχει ρεύμα προς τα εμπρός και η τάση εφαρμόζεται σε ο κόμβος ΠΝ. Όταν η τάση εφαρμόζεται στο LED αντίστροφα, όταν η εξωτερική τάση είναι μικρότερη από την αντίστροφη τάση διάσπασης του LED, η τάση εφαρμόζεται επίσης εξ ολοκλήρου στη διασταύρωση PN. Αυτή τη στιγμή, δεν υπάρχει πτώση τάσης ούτε στον ελαττωματικό σύνδεσμο συγκόλλησης του LED, στο βραχίονα, στην περιοχή P ή στην περιοχή N! Γιατί δεν υπάρχει ρεύμα. Μετά τη διάσπαση της διασταύρωσης PN, η εξωτερική τάση μοιράζεται σε όλες τις αντιστάσεις του κυκλώματος. Όπου η αντίσταση είναι υψηλή, η τάση που φέρει το εξάρτημα είναι υψηλή. Όσον αφορά τα LED, είναι φυσικό η διασταύρωση PN να φέρει το μεγαλύτερο μέρος της τάσης. Η θερμική ισχύς που παράγεται στη διασταύρωση PN είναι η πτώση τάσης σε αυτήν πολλαπλασιασμένη με την τιμή ρεύματος. Εάν η τρέχουσα τιμή δεν είναι περιορισμένη, η υπερβολική θερμότητα θα κάψει τη διασταύρωση PN, η οποία θα χάσει τη λειτουργία της και θα διεισδύσει.

Γιατί τα IC φοβούνται σχετικά τον στατικό ηλεκτρισμό; Επειδή η περιοχή κάθε στοιχείου σε ένα IC είναι πολύ μικρή, η παρασιτική χωρητικότητα κάθε στοιχείου είναι επίσης πολύ μικρή (συχνά η συνάρτηση κυκλώματος απαιτεί πολύ μικρή παρασιτική χωρητικότητα). Επομένως, μια μικρή ποσότητα ηλεκτροστατικού φορτίου θα δημιουργήσει υψηλή ηλεκτροστατική τάση και η ανοχή ισχύος κάθε εξαρτήματος είναι συνήθως πολύ μικρή, επομένως η ηλεκτροστατική εκφόρτιση μπορεί εύκολα να βλάψει το IC. Ωστόσο, τα συνηθισμένα διακριτά εξαρτήματα, όπως οι συνηθισμένες δίοδοι μικρής ισχύος και τα τρανζίστορ μικρής ισχύος, δεν φοβούνται πολύ τον στατικό ηλεκτρισμό, επειδή η περιοχή των τσιπ είναι σχετικά μεγάλη και η παρασιτική τους χωρητικότητα είναι σχετικά μεγάλη και δεν είναι εύκολο να συσσωρεύονται υψηλές τάσεις σε σε γενικές στατικές ρυθμίσεις. Τα τρανζίστορ MOS χαμηλής ισχύος είναι επιρρεπή σε ηλεκτροστατική βλάβη λόγω του λεπτού στρώματος οξειδίου πύλης και της μικρής παρασιτικής χωρητικότητας. Συνήθως φεύγουν από το εργοστάσιο αφού βραχυκυκλώσουν τα τρία ηλεκτρόδια μετά τη συσκευασία. Κατά τη χρήση, απαιτείται συχνά η αφαίρεση της σύντομης διαδρομής μετά την ολοκλήρωση της συγκόλλησης. Λόγω της μεγάλης περιοχής τσιπ των τρανζίστορ MOS υψηλής ισχύος, ο συνηθισμένος στατικός ηλεκτρισμός δεν θα τα καταστρέψει. Έτσι θα δείτε ότι τα τρία ηλεκτρόδια των τρανζίστορ ισχύος MOS δεν προστατεύονται από βραχυκυκλώματα (οι πρώτοι κατασκευαστές εξακολουθούσαν να τα βραχυκυκλώνουν πριν φύγουν από το εργοστάσιο).

Ένα LED έχει στην πραγματικότητα μια δίοδο και η περιοχή του είναι πολύ μεγάλη σε σχέση με κάθε εξάρτημα μέσα στο IC. Επομένως, η παρασιτική χωρητικότητα των LED είναι σχετικά μεγάλη. Επομένως, ο στατικός ηλεκτρισμός σε γενικές καταστάσεις δεν μπορεί να καταστρέψει τα LED.

Ο ηλεκτροστατικός ηλεκτρισμός σε γενικές καταστάσεις, ειδικά σε μονωτήρες, μπορεί να έχει υψηλή τάση, αλλά η ποσότητα της φόρτισης εκφόρτισης είναι εξαιρετικά μικρή και η διάρκεια του ρεύματος εκφόρτισης είναι πολύ μικρή. Η τάση του ηλεκτροστατικού φορτίου που προκαλείται στον αγωγό μπορεί να μην είναι πολύ υψηλή, αλλά το ρεύμα εκφόρτισης μπορεί να είναι μεγάλο και συχνά συνεχές. Αυτό είναι πολύ επιβλαβές για τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα.

Γιατί βλάπτει ο στατικός ηλεκτρισμόςΤσιπ LEDδεν συμβαίνουν συχνά

Ας ξεκινήσουμε με ένα πειραματικό φαινόμενο. Μια μεταλλική πλάκα σιδήρου μεταφέρει στατικό ηλεκτρισμό 500V. Τοποθετήστε το LED στη μεταλλική πλάκα (προσοχή στη μέθοδο τοποθέτησης για να αποφύγετε τα ακόλουθα προβλήματα). Πιστεύετε ότι το LED θα καταστραφεί; Εδώ, για να καταστρέψετε ένα LED, θα πρέπει συνήθως να εφαρμόζεται με τάση μεγαλύτερη από την τάση διάσπασής του, πράγμα που σημαίνει ότι και τα δύο ηλεκτρόδια του LED πρέπει ταυτόχρονα να έρχονται σε επαφή με τη μεταλλική πλάκα και να έχουν τάση μεγαλύτερη από την τάση διάσπασης. Καθώς η πλάκα σιδήρου είναι καλός αγωγός, η επαγόμενη τάση σε αυτήν είναι ίση και η λεγόμενη τάση 500V είναι σχετική με το έδαφος. Επομένως, δεν υπάρχει τάση μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων του LED και φυσικά δεν θα υπάρξει καμία ζημιά. Εκτός εάν έρθετε σε επαφή με ένα ηλεκτρόδιο ενός LED με μια πλάκα σιδήρου και συνδέσετε το άλλο ηλεκτρόδιο με έναν αγωγό (χέρι ή σύρμα χωρίς μονωτικά γάντια) στη γείωση ή σε άλλους αγωγούς.

Το παραπάνω πειραματικό φαινόμενο μας υπενθυμίζει ότι όταν ένα LED βρίσκεται σε ηλεκτροστατικό πεδίο, το ένα ηλεκτρόδιο πρέπει να έρθει σε επαφή με το ηλεκτροστατικό σώμα και το άλλο ηλεκτρόδιο πρέπει να έρθει σε επαφή με τη γείωση ή άλλους αγωγούς προτού καταστραφεί. Στην πραγματική παραγωγή και εφαρμογή, με το μικρό μέγεθος των LED, σπάνια υπάρχει περίπτωση να συμβούν τέτοια πράγματα, ειδικά σε παρτίδες. Είναι πιθανά τυχαία γεγονότα. Για παράδειγμα, ένα LED βρίσκεται σε ένα ηλεκτροστατικό σώμα και το ένα ηλεκτρόδιο έρχεται σε επαφή με το ηλεκτροστατικό σώμα, ενώ το άλλο ηλεκτρόδιο είναι μόλις αναρτημένο. Αυτή τη στιγμή, κάποιος αγγίζει το αιωρούμενο ηλεκτρόδιο, το οποίο μπορεί να προκαλέσει βλάβη στοΦως LED.

Το παραπάνω φαινόμενο μας λέει ότι τα ηλεκτροστατικά προβλήματα δεν μπορούν να αγνοηθούν. Η ηλεκτροστατική εκφόρτιση απαιτεί ένα αγώγιμο κύκλωμα και δεν υπάρχει κανένα κακό αν υπάρχει στατικός ηλεκτρισμός. Όταν συμβαίνει μόνο μια πολύ μικρή ποσότητα διαρροής, μπορεί να εξεταστεί το πρόβλημα της τυχαίας ηλεκτροστατικής βλάβης. Εάν εμφανίζεται σε μεγάλες ποσότητες, είναι πιο πιθανό να είναι πρόβλημα μόλυνσης από τσιπ ή άγχους.