Staattisen sähkön tuotantomekanismi

Yleensä staattista sähköä syntyy kitkasta tai induktiosta.

Kitka-staattinen sähkö syntyy sähkövarausten liikkeestä, jotka syntyvät kahden esineen välisen kosketuksen, kitkan tai erotuksen aikana. Johtimien välisen kitkan aiheuttama staattinen sähkö on yleensä suhteellisen heikkoa johtuen johtimien vahvasta johtavuudesta. Kitkan synnyttämät ionit liikkuvat nopeasti yhteen ja neutraloituvat kitkaprosessin aikana ja sen lopussa. Eristeen kitkan jälkeen voi syntyä korkeampi sähköstaattinen jännite, mutta varauksen määrä on hyvin pieni. Tämä määräytyy itse eristimen fyysisen rakenteen mukaan. Eristimen molekyylirakenteessa elektronien on vaikea liikkua vapaasti atomiytimen sitoutumisesta, joten kitka johtaa vain vähäiseen molekyyli- tai atomiionisaatioon.

Induktiivinen staattinen sähkö on sähkökenttä, joka muodostuu elektronien liikkeestä esineessä sähkömagneettisen kentän vaikutuksesta, kun esine on sähkökentässä. Induktiivista staattista sähköä voidaan yleensä tuottaa vain johtimiin. Spatiaalisten sähkömagneettisten kenttien vaikutus eristimiin voidaan jättää huomiotta.

Sähköstaattinen purkausmekanismi

Mikä on syy siihen, miksi 220 V verkkovirta voi tappaa ihmisiä, mutta tuhannet voltit ihmisissä eivät voi tappaa heitä? Kondensaattorin yli oleva jännite täyttää seuraavan kaavan: U=Q/C. Tämän kaavan mukaan, kun kapasitanssi on pieni ja varaus on pieni, syntyy korkea jännite. ”Yleensä kehomme ja ympärillämme olevien esineidemme kapasitanssi on hyvin pieni. Kun sähkövaraus syntyy, pieni määrä sähkövarausta voi myös synnyttää korkean jännitteen." Pienestä sähkövarauksesta johtuen purkamisen aikana syntyvä virta on hyvin pieni ja aika on hyvin lyhyt. Jännitettä ei voida ylläpitää, ja virta putoaa erittäin lyhyessä ajassa. ”Koska ihmiskeho ei ole eriste, koko kehoon kertyneet staattiset varaukset, kun on purkauspolku, lähentyvät. Siksi tuntuu, että virta on suurempi ja sähköisku tuntuu." Kun staattista sähköä syntyy johtimissa, kuten ihmiskehoissa ja metalliesineissä, purkausvirta on suhteellisen suuri.

Materiaaleissa, joilla on hyvät eristysominaisuudet, yksi on, että syntyvän sähkövarauksen määrä on hyvin pieni, ja toinen on se, että syntyvä sähkövaraus on vaikea virrata. Vaikka jännite on korkea, kun jossain on purkausreitti, vain kosketuspisteessä ja lähietäisyydellä oleva varaus voi virrata ja purkaa, kun taas kosketuksettomassa kohdassa oleva varaus ei voi purkaa. Siksi jopa kymmenien tuhansien volttien jännitteellä purkausenergia on myös mitätön.

Staattisen sähkön aiheuttamat vaarat elektronisille komponenteille

Staattinen sähkö voi olla haitallistaLEDs, ei vain LEDin ainutlaatuinen ”patentti”, vaan myös yleisesti käytettyjä silikonimateriaaleista valmistettuja diodeja ja transistoreita. Staattinen sähkö voi vahingoittaa jopa rakennuksia, puita ja eläimiä (salama on staattisen sähkön muoto, emmekä käsittele sitä tässä).

Joten miten staattinen sähkö vahingoittaa elektronisia komponentteja? En halua mennä liian pitkälle, puhun vain puolijohdelaiteista, mutta rajoittuen myös diodeihin, transistoreihin, IC:ihin ja LEDeihin.

Sähkön puolijohdekomponenteille aiheuttamat vahingot sisältävät viime kädessä virtaa. Sähkövirran vaikutuksesta laite vaurioituu lämmön vuoksi. Jos on virtaa, on oltava jännite. Puolijohdediodeissa on kuitenkin PN-liitokset, joiden jännitealue estää virran sekä eteen- että taaksepäin. Eteenpäin tuleva potentiaalieste on matala, kun taas käänteinen potentiaalieste on paljon korkeampi. Piirissä, jossa vastus on korkea, jännite keskittyy. Mutta LED-valoissa, kun jännite syötetään eteenpäin LEDiin, kun ulkoinen jännite on pienempi kuin diodin kynnysjännite (vastaa materiaalikaistan leveyttä), eteenpäin ei ole virtaa, ja jännite syötetään kaikki PN-risteys. Kun jännite syötetään LEDiin päinvastaisesti, kun ulkoinen jännite on pienempi kuin LEDin käänteinen läpilyöntijännite, jännite syötetään myös PN-liittimeen kokonaan. Tällä hetkellä LEDin viallisessa juotosliitoksessa, kannakkeessa, P- tai N-alueella ei ole jännitehäviötä! Koska virtaa ei ole. Kun PN-liitos on rikki, ulkoinen jännite jaetaan kaikkien piirin vastusten kesken. Kun vastus on korkea, osan kantama jännite on korkea. LEDien osalta on luonnollista, että PN-liitos kantaa suurimman osan jännitteestä. PN-liitoksessa tuotettu lämpöteho on sen ylittävä jännitehäviö kerrottuna virran arvolla. Jos virta-arvoa ei ole rajoitettu, liiallinen lämpö polttaa PN-liitoksen, joka menettää toimintansa ja tunkeutuu.

Miksi IC:t pelkäävät suhteellisen staattista sähköä? Koska IC:n jokaisen komponentin pinta-ala on hyvin pieni, kunkin komponentin loiskapasitanssi on myös hyvin pieni (usein piiritoiminto vaatii hyvin pientä loiskapasitanssia). Siksi pieni määrä sähköstaattista varausta tuottaa korkean sähköstaattisen jännitteen, ja kunkin komponentin tehotoleranssi on yleensä hyvin pieni, joten sähköstaattinen purkaus voi helposti vahingoittaa IC:tä. Tavalliset erilliset komponentit, kuten tavalliset pienet tehodiodit ja pienet tehotransistorit, eivät kuitenkaan pelkää kovin staattista sähköä, koska niiden sirupinta-ala on suhteellisen suuri ja parasiittikapasitanssi suhteellisen suuri, eikä suuria jännitteitä ole helppo kerätä niitä yleisissä staattisissa asetuksissa. Pienitehoiset MOS-transistorit ovat alttiita sähköstaattisille vaurioille ohuen hilaoksidikerroksen ja pienen loiskapasitanssin vuoksi. Yleensä ne lähtevät tehtaalta oikosuljettuaan kolme elektrodia pakkaamisen jälkeen. Käytössä lyhyt reitti on usein poistettava hitsauksen päätyttyä. Suuritehoisten MOS-transistoreiden suuren sirualueen vuoksi tavallinen staattinen sähkö ei vahingoita niitä. Joten näet, että teho-MOS-transistoreiden kolmea elektrodia ei ole suojattu oikosuluilla (varhaiset valmistajat oikosulkivat ne vielä ennen tehtaalta lähtöä).

LEDissä on itse asiassa diodi, ja sen pinta-ala on erittäin suuri suhteessa jokaiseen IC:n komponenttiin. Siksi LEDien loiskapasitanssi on suhteellisen suuri. Siksi staattinen sähkö ei voi yleisissä tilanteissa vahingoittaa LEDejä.

Sähköstaattinen sähkö yleisissä tilanteissa, erityisesti eristimissä, voi olla korkea jännite, mutta purkausvarauksen määrä on erittäin pieni ja purkausvirran kesto on hyvin lyhyt. Johtimeen indusoituvan sähköstaattisen varauksen jännite ei välttämättä ole kovin korkea, mutta purkausvirta voi olla suuri ja usein jatkuva. Tämä on erittäin haitallista elektronisille komponenteille.

Miksi staattinen sähkö vahingoittaaLED-sirutei usein tapahdu

Aloitetaan kokeellisesta ilmiöstä. Metallirautalevy kuljettaa 500 V staattista sähköä. Aseta LED metallilevylle (kiinnitä sijoitustapaa seuraavien ongelmien välttämiseksi). Luuletko, että LED vaurioituu? Tässä LEDin vahingoittamiseksi siihen tulisi yleensä kytkeä jännite, joka on suurempi kuin sen läpilyöntijännite, mikä tarkoittaa, että LEDin molempien elektrodien tulee samanaikaisesti koskettaa metallilevyä ja niiden jännite on suurempi kuin läpilyöntijännite. Koska rautalevy on hyvä johdin, indusoitunut jännite sen yli on yhtä suuri ja ns. 500 V jännite on suhteessa maahan. Siksi LEDin kahden elektrodin välillä ei ole jännitettä, eikä luonnollisesti tapahdu vaurioita. Ellet kosketa LEDin yhtä elektrodia rautalevyllä ja liitä toinen elektrodi johtimella (käsin tai johdolla ilman eristäviä käsineitä) maahan tai muihin johtimiin.

Yllä oleva kokeellinen ilmiö muistuttaa meitä siitä, että kun LED on sähköstaattisessa kentässä, yhden elektrodin täytyy koskettaa sähköstaattista runkoa ja toisen elektrodin on kosketettava maata tai muita johtimia ennen kuin se voi vaurioitua. Varsinaisessa tuotannossa ja sovelluksessa LEDien pienen koon vuoksi on harvoin mahdollista, että tällaisia ​​tapahtuisi, etenkin erissä. Onnettomuustapahtumat ovat mahdollisia. Esimerkiksi LED on sähköstaattisen rungon päällä, ja yksi elektrodi koskettaa sähköstaattista runkoa, kun taas toinen elektrodi on juuri ripustettu. Tällä hetkellä joku koskettaa ripustettua elektrodia, mikä voi vahingoittaa elektrodiaLED valo.

Yllä oleva ilmiö kertoo meille, että sähköstaattisia ongelmia ei voida jättää huomiotta. Sähköstaattinen purkaus vaatii johtavan piirin, eikä staattisesta sähköstä ole haittaa. Kun vuotoa esiintyy vain hyvin vähän, voidaan harkita tahattoman sähköstaattisen vaurion ongelmaa. Jos sitä esiintyy suuria määriä, se on todennäköisemmin ongelma lastun saastumisesta tai stressistä.