Dlaczego elektronika łatwo ulega uszkodzeniom?
Wyładowanie atmosferyczne mogące uszkodzić elektronikę to nie tylko przepływ prądu elektrycznego o olbrzymich wartościach, to również szereg przeskoków iskrowych pomiędzy konstrukcjami metalowymi i przewodami w wyniku silnego pola elektrycznego. To również impuls elektromagnetyczny, przenikający wszelkie nieekranujące materiały.
Każdy z powyższych czynników wpływa na urządzenie, powodując ryzyko jego uszkodzenia:
Wzrost napięcia zasilającego lub napięcia sygnałowego.
Występuje w momencie przeskoku iskrowego do jednego z przewodów, powodując wzrost potencjału pomiędzy przewodami.
Zwiększone napięcie powoduje zwiększony przepływ prądu przez komponenty elektroniczne, zwiększając traconą na nich moc. W zależności od zdolności zamiany mocy na ciepło i czasu przepływu zwiększonego prądu oraz zastosowanych zabezpieczeń ESD, komponenty elektroniczne mogą w takim przypadku ulec uszkodzeniu (lub nie).
Na powyższym rysunku następuje przeskok iskrowy do jednego z przewodów zasilania lub linii sygnałowej. Powoduje to wielokrotne przekroczenie dopuszczalnego napięcia znamionowego (Un) oraz prądu znamionowego (In) i wytracanie w komponentach mocy, która nie może być odprowadzona do otoczenia - w efekcie elementy elektroniczne ulegają przegrzaniu.
Wysokie napięcie powoduje przebicie wewnątrz komponentów, powodując w nich zwarcia i zależnie od natężenia prądu przepalane są obwody drukowane. Potencjał przeskoku iskrowego, szukając ujścia do ziemi, powoduje dalsze przeskoki iskrowe pomiędzy wieloma komponentami a nawet poszczególnymi urządzeniami, tworząc dalszą destrukcję.
W przypadku ochrony przed wzrostem napięcia, impulsami przepięciowych czy wyładowaniami atmosferycznymi rozwiązaniem firmy Ewimar jest m.in. seria ochronników linii zasilania SUG - która występuje w obudowach miniaturowych, oraz DIN - idealnych do systemów telewizji przemysłowej, czy automatyki, do zastosowań na granicy stref LPZ0 i LPZ1 lub wyższych.
Przykładowe modele:
Wzrost przepływu prądu interfejsów sygnałowych
Podczas wyładowania, w ziemi i na jej powierzchni odbywa się przepływ dużego prądu udarowego w stronę miejsca uderzenia pioruna, co jest wynikiem neutralizacji ładunku pomiędzy chmurami a ziemią. Efekt ten jest znany jako napięcie krokowe lub jako chwilowa różnica potencjałów, występująca pomiędzy uziemionymi punktami instalacji.
W zależności od umiejscowienia urządzeń, odległości pomiędzy elementami składowymi systemu elektronicznego, źródłami zasilania i lokalnego uziemienia, generowany jest prądowy impuls wyrównawczy pomiędzy nimi. Ze względu na większą oporność ziemi, impuls prądowy wyrównywany jest przez przewody i podłączone za jego pomocą interfejsy komunikacyjne, powodując ich przeciążenie prądowe i uszkodzenie.
Indukcja impulsu elektromagnetycznego w przewodach
W momencie uderzenia pioruna w uziemione przewody lub konstrukcje metalowe, następuje wytworzenie bardzo silnego impulsu magnetycznego. Impuls ten przenikając do innych przewodów, indukuje w nich impuls elektryczny, którego energia zależy od odległości od miejsca wyładowania, rodzaju przewodu i sposobu jego ułożenia. Impuls napięciowy stanowi identyczne zagrożenie dla elektroniki, jak opisano z punkcie 1 - tworzy chwilowy wzrost napięcia na liniach zasilających i sygnałowych
W wyniku wyładowań w chmurach, następuje również zachwianie równowagi ładunków elektrycznych linii napowietrznych, powodując nagłe przepływy prądu elektrycznego pomiędzy źródłem zasilania a odbiornikami.
Postęp miniaturyzacji elektroniki
Elektronika na przestrzeni ostatnich 30 lat uległa olbrzymiemu postępowi miniaturyzacji. Przynosi to wiele korzyści, którymi między innymi są:
- Zwiększenie mocy obliczeniowej
- Zmniejszenie gabarytów, pozwalających na ich łatwą mobilność
- Zmniejszony pobór energii i mniejsze jej straty
- Mniejsze zużycie szlachetnych materiałów
- Niższe ceny urządzeń elektronicznych
Jednocześnie zmniejszenie komponentów, spowodowało znaczne obniżenie napięć zasilania i interfejsów komunikacyjnych układów o wysokiej skali integracji (procesory obliczeniowe, DSP, PLD, pamięci). Procesory w latach 90-tych ubiegłego wieku zasilane były zazwyczaj napięciem 5V i chwilowe przekroczenie o 1V było przez nie tolerowane. Aktualnie układy wysokiej skali integracji zasilanie są napięciem nawet poniżej 1V i jego wzrost o 1V powoduje bardzo szybkie ich uszkodzenie.
Kolejnym aspektem są bardzo małe gabaryty i duże zagęszczenie komponentów na płycie elektroniki, które powodują, że chwilowy wzrost traconej mocy w czasie przepięcia, nie może być skutecznie odprowadzony jako ciepło. W efekcie nawet znikomy wzrost dostarczonej mocy powoduje uszkodzenie elektroniki.
Powyższy rysunek obrazuje skalę postępu miniaturyzacji na przestrzeni 30 lat na podstawie rezystorów - postęp miniaturyzacji dla układów scalonych jest kilkakrotnie większy, co przekłada się na niską tolerancję współczesnej elektroniki na wyładowania atmosferyczne.