מנגנון ייצור של חשמל סטטי

בדרך כלל, חשמל סטטי נוצר עקב חיכוך או אינדוקציה.

חשמל סטטי חיכוך נוצר על ידי תנועה של מטענים חשמליים הנוצרים במהלך מגע, חיכוך או הפרדה בין שני עצמים.החשמל הסטטי שנותר מחיכוך בין מוליכים הוא בדרך כלל חלש יחסית, בשל המוליכות החזקה של המוליכים.היונים הנוצרים מחיכוך ינועו במהירות יחד וינטרלו במהלך ובסיומו של תהליך החיכוך.לאחר חיכוך המבודד, עלול להיווצר מתח אלקטרוסטטי גבוה יותר, אך כמות המטען קטנה מאוד.זה נקבע על ידי המבנה הפיזי של המבודד עצמו.במבנה המולקולרי של מבודד, קשה לאלקטרונים לנוע בחופשיות מהקישור של גרעין האטום, ולכן החיכוך מביא רק לכמות קטנה של יינון מולקולרי או אטומי.

חשמל סטטי אינדוקטיבי הוא שדה חשמלי הנוצר מתנועת אלקטרונים באובייקט תחת פעולת שדה אלקטרומגנטי כאשר העצם נמצא בשדה חשמלי.חשמל סטטי אינדוקטיבי יכול להיווצר בדרך כלל רק על מוליכים.ניתן להתעלם מההשפעה של שדות אלקטרומגנטיים מרחביים על מבודדים.

מנגנון פריקה אלקטרוסטטית

מה הסיבה לכך שחשמל 220V יכול להרוג אנשים, אבל אלפי וולט על אנשים לא יכולים להרוג אותם?המתח על פני הקבל עומד בנוסחה הבאה: U=Q/C.לפי נוסחה זו, כאשר הקיבול קטן וכמות המטען קטנה, ייווצר מתח גבוה."בדרך כלל, הקיבול של גופנו וחפצים סביבנו קטן מאוד.כאשר מטען חשמלי נוצר, כמות קטנה של מטען חשמלי יכולה גם ליצור מתח גבוה".בשל הכמות הקטנה של המטען החשמלי, בעת פריקה, הזרם הנוצר קטן מאוד, והזמן קצר מאוד.לא ניתן לשמור על המתח, והזרם יורד תוך זמן קצר במיוחד."מכיוון שגוף האדם אינו מבודד, המטענים הסטטיים המצטברים בכל הגוף, כאשר יש נתיב פריקה, יתכנסו.לכן, זה מרגיש כאילו הזרם גבוה יותר ויש תחושה של התחשמלות".לאחר יצירת חשמל סטטי במוליכים כגון גופי אדם וחפצי מתכת, זרם הפריקה יהיה גדול יחסית.

עבור חומרים בעלי תכונות בידוד טובות, האחד הוא שכמות המטען החשמלי שנוצר קטן מאוד, והשני הוא שקשה להזרים את המטען החשמלי שנוצר.למרות שהמתח גבוה, כאשר יש נתיב פריקה איפשהו, רק המטען בנקודת המגע ובטווח קטן בקרבת מקום יכול לזרום ולהתרוקן, בעוד המטען בנקודת המגע שאינה יכולה להתפרק.לכן, גם במתח של עשרות אלפי וולט, גם אנרגיית הפריקה זניחה.

סכנות של חשמל סטטי לרכיבים אלקטרוניים

חשמל סטטי יכול להזיקלדs, לא רק ה"פטנט" הייחודי של LED, אלא גם דיודות וטרנזיסטורים נפוצים העשויים מחומרי סיליקון.אפילו מבנים, עצים ובעלי חיים עלולים להיפגע מחשמל סטטי (ברק הוא סוג של חשמל סטטי, ולא נשקול זאת כאן).

אז איך חשמל סטטי פוגע ברכיבים אלקטרוניים?אני לא רוצה ללכת רחוק מדי, רק לדבר על התקני מוליכים למחצה, אבל גם מוגבל לדיודות, טרנזיסטורים, ICs ונוריות LED.

הנזק שנגרם על ידי חשמל לרכיבי מוליכים למחצה כרוך בסופו של דבר בזרם.תחת פעולת זרם חשמלי, המכשיר ניזוק עקב חום.אם יש זרם, חייב להיות מתח.עם זאת, לדיודות מוליכים למחצה יש צמתים PN, בעלי טווח מתח החוסם זרם הן בכיוון קדימה והן בכיוון ההפוך.מחסום הפוטנציאל קדימה נמוך, בעוד מחסום הפוטנציאל ההפוך גבוה בהרבה.במעגל, שבו ההתנגדות גבוהה, המתח מרוכז.אבל עבור נוריות, כאשר המתח מופעל קדימה על ה-LED, כאשר המתח החיצוני קטן ממתח הסף של הדיודה (המתאים לרוחב הפער של פס החומר), אין זרם קדימה, והמתח מופעל כולו על צומת PN.כאשר המתח מופעל על נורית ה-LED בהיפוך, כאשר המתח החיצוני קטן ממתח הפירוק ההפוכה של ה-LED, המתח מופעל גם על צומת ה-PN כולו.בשלב זה, אין נפילת מתח גם במפרק ההלחמה הפגום של ה-LED, בסוגר, באזור P או באזור N!כי אין זרם.לאחר ניתוק צומת ה-PN, המתח החיצוני משותף לכל הנגדים במעגל.כאשר ההתנגדות גבוהה, המתח שנושא החלק גבוה.בכל הנוגע ללדים, זה טבעי שצומת ה-PN נושא את רוב המתח.ההספק התרמי שנוצר בצומת PN הוא ירידת המתח על פניו כפול הערך הנוכחי.אם הערך הנוכחי אינו מוגבל, חום מוגזם ישרוף את צומת ה-PN, שיאבד את תפקידו ויחדור.

מדוע IC מפחדים יחסית מחשמל סטטי?מכיוון שהשטח של כל רכיב ב-IC קטן מאוד, גם הקיבול הטפילי של כל רכיב קטן מאוד (לעיתים קרובות פונקציית המעגל דורשת קיבול טפילי קטן מאוד).לכן, כמות קטנה של מטען אלקטרוסטטי תיצור מתח אלקטרוסטטי גבוה, וסובלנות ההספק של כל רכיב היא בדרך כלל קטנה מאוד, כך שפריקה אלקטרוסטטית עלולה לפגוע בקלות ב-IC.עם זאת, רכיבים בדידים רגילים, כגון דיודות הספק קטנות רגילות וטרנזיסטורי הספק קטנים, אינם חוששים מאוד מחשמל סטטי, מכיוון ששטח השבב שלהם גדול יחסית והקיבול הטפילי שלהם גדול יחסית, ולא קל לצבור מתחים גבוהים על אותם בהגדרות סטטיות כלליות.טרנזיסטורי MOS בהספק נמוך מועדים לנזק אלקטרוסטטי בשל שכבת תחמוצת השער הדקה והקיבול הטפילי הקטן שלהם.הם בדרך כלל עוזבים את המפעל לאחר קצרצר בשלוש האלקטרודות לאחר האריזה.בשימוש, לעתים קרובות נדרש להסיר את המסלול הקצר לאחר השלמת הריתוך.בשל שטח השבבים הגדול של טרנזיסטורי MOS בעלי הספק גבוה, חשמל סטטי רגיל לא יפגע בהם.אז תראה ששלושת האלקטרודות של טרנזיסטורי MOS הספק אינן מוגנות על ידי קצרים (יצרנים מוקדמים עדיין קיצרו אותם לפני שעזבו את המפעל).

ללד יש למעשה דיודה, והשטח שלה גדול מאוד ביחס לכל רכיב בתוך ה-IC.לכן, הקיבול הטפילי של נוריות LED גדול יחסית.לכן, חשמל סטטי במצבים כלליים אינו יכול להזיק לנורות לד.

חשמל אלקטרוסטטי במצבים כלליים, במיוחד על מבודדים, יכול להיות בעל מתח גבוה, אך כמות מטען הפריקה קטנה ביותר ומשך זרם הפריקה קצר מאוד.המתח של המטען האלקטרוסטטי המושרה על המוליך עשוי להיות לא גבוה במיוחד, אך זרם הפריקה עשוי להיות גדול ולעתים קרובות רציף.זה מזיק מאוד לרכיבים אלקטרוניים.

למה חשמל סטטי גורם נזקשבבי LEDלא מתרחשים לעתים קרובות

נתחיל בתופעה ניסיונית.פלטת ברזל מתכת נושאת חשמל סטטי של 500V.הנח את הנורית על לוחית המתכת (שימו לב לשיטת המיקום כדי למנוע את הבעיות הבאות).האם אתה חושב שהלד ייפגע?כאן, כדי לפגוע בלד, יש להפעיל אותו בדרך כלל במתח גדול ממתח הפריצה שלו, מה שאומר ששתי האלקטרודות של הלד צריכות ליצור קשר בו-זמנית עם לוחית המתכת ובעלות מתח גדול יותר ממתח הפריצה.מכיוון שלוחית הברזל היא מוליך טוב, המתח המושרה על פניה שווה, ומה שנקרא מתח 500V הוא ביחס לאדמה.לכן, אין מתח בין שתי האלקטרודות של הלד, ובאופן טבעי לא יהיה נזק.אלא אם כן אתה יוצר קשר עם אלקטרודה אחת של LED עם לוחית ברזל, ומחבר את האלקטרודה השנייה עם מוליך (יד או חוט ללא כפפות מבודדות) לאדמה או מוליכים אחרים.

תופעת הניסוי הנ"ל מזכירה לנו שכאשר נורית LED נמצאת בשדה אלקטרוסטטי, אלקטרודה אחת חייבת ליצור קשר עם הגוף האלקטרוסטטי, והאלקטרודה השנייה חייבת ליצור קשר עם האדמה או מוליכים אחרים לפני שניתן להינזק.בייצור ויישום בפועל, עם הגודל הקטן של נוריות, לעיתים רחוקות יש סיכוי שדברים כאלה יקרו, במיוחד באצווה.יתכנו אירועים מקריים.לדוגמה, נורית LED נמצאת על גוף אלקטרוסטטי, ואלקטרודה אחת מתקשרת עם הגוף האלקטרוסטטי, בעוד שהאלקטרודה השנייה רק ​​תלויה.בשלב זה, מישהו נוגע באלקטרודה התלויה, מה שעלול לגרום נזק לתאורת לד.

התופעה שלעיל אומרת לנו שאי אפשר להתעלם מבעיות אלקטרוסטטיות.פריקה אלקטרוסטטית דורשת מעגל מוליך, ואין כל נזק אם יש חשמל סטטי.כאשר מתרחשת רק כמות קטנה מאוד של דליפה, ניתן לשקול את הבעיה של נזק אלקטרוסטטי מקרי.אם זה מתרחש בכמויות גדולות, סביר יותר שזו בעיה של זיהום שבב או מתח.