Разряды статического электричества

При импульсном разряде статического электричества в виде искры возникают переходные напряжения и токи, связанные с переходными электрическими и магнитными полями, которые вызывают не только функциональные помехи в вычислительных машинах, пишущих машинках, телефонных аппаратах или дру­гих электронных приборах, но могут вызвать разрушения элект­ронных компонентов. В то время как комплексные системы, например клавиатуры вычислительных машин, программируемые управляющие устройства, являются сравнительно стойкими к разрядам статического электричества, то при непосредственном касании полупроводниковых элементов и электронных узлов сла­бые разряды статического электричества, которые оператор при определенных обстоятельствах совершенно не замечает, оказыва­ются достаточными для повреждения полупроводниковых эле­ментов.

Заряды статического электричества возникают в виде скопле­ния носителей зарядов одной полярности при разделении сред, до этого плотно соприкасавшихся, из которых по крайней мере одна должна быть изолятором (иначе сразу бы возникла компен­сация зарядов). Они появляются, например, при ходьбе по син­тетическим коврам, вставании со стульев, соприкосновения с элементами из пластмасс, сбегании бумажных или пластмассо­вых лент с роликов, при протекании изолирующих жидкостей по трубам, завихрении пыли, выбросе газа из ракет, тре­нии воздуха с летающим телом и т. д. В зависимости от взаимо­действующих материалов заряды могут иметь положительную или отрицательную полярность. Наиболее часто проблемы ЭМС воз­никают в результате разрядов статического электричества между объектом и телом человека или малогабаритной мебелью (стуль­ями, креслами, тележками с измерительными приборами и т.д.). Поэтому ниже подробнее представлены эти источники электро­магнитных влияний.

В зависимости от обуви, покрытия пола и влажности воздуха человек может заряжаться примерно до 30 кВ. Начиная с этого напряжения, наступают заметные частичные разряды, которые так же, как у разрядников самолетов, вызывают увеличение проводи­мости окружающей среды. В результате устанавливается стацио­нарный потенциал равновесия. Обычно возникающие при ходь­бе по коврам потенциалы имеют значение от 5 до 15 кВ. Такого же порядка, однако, несколько меньшими по значению вслед­ствие больших емкостей оказываются потенциалы мебели. По­тенциалы до 2000 В часто не принимаются во внимание, однако они вполне достаточны для того, чтобы повредить полупровод­никовые компоненты.

Накопленная энергия в зависимости от емкости заряженного тела, равной 50 - 1500 пФ (емкость человека — 150 пФ) может составлять несколько десятых долей джоуля. Само по себе суще­ствование разрядов статического электричества редко создает проблемы ЭМС, например при разрядке лимбов измерительных приборов, экранов телевизоров и т. Д. Проблемы возникают при быстром импульсном разряде между заряженными телами, во время которого появляется импульсы тока со временем нараста­ния в наносекундном или субнаносекундном диапазоне. Не быс­трые изменения напряжений, а импульсные разрядные токи и связанные с ними изменяющиеся во времени магнитные поля ведут, как правило, к нежелательным электромагнитным влия­ниям. Во многих случаях феномен разрядов статического электриче­ства можно с хорошим приближением смоделировать при помо­щи сравнительно простой схемы замещения (рис. 2.5).

Рис 2.5. Схема замещения цепи разряда заряженного тела человека или заря­женного проводящего предмета:

С_и, R_и - эквивалентные параметры замещения статически заряженного тела;

R_п - последовательное сопротивление;

С_з, R_з - емкость и сопротивление по отношению к земле объекта, через который происходит разряд или перезаряд

Сопро­тивление R_n в зависимости от источника помех имеет примерные значения: для человека 1 кОм, для малой мебели от 10 до 50 Ом. Если рассматривать разряд непосредственно у земли (R_з→ 0, С_з→ ) и принять индуктивность цепи разряда 1 мкГн/м, то в первом случае R_n> > ω L, т. е. разряд затухает апериодически с постоянной времени Т= С_и R_n. Во втором случае R_n < < ω L, т. е. имеет место колебательный разряд с частотой (рис. 2.6).

Время нарастания тока можно оценивать постоянной време­ни L/R_n. Типичную крутизну фронта тока составляют несколько десятков ампер в наносекунду, типичные максимальные ампли­тудные значения тока от 2 до 50 А. Обычно при разряде с тела человека имеет место большая крутизна фронта тока, при раз­рядке с предметов - большие амплитуды тока. В обоих случаях это объясняется различными значениями сопротивления R_n.

Рис. 2.6. Кривая изменения тока при разряде тела человека или проводящего предмета (например, малогабаритной мебели)

Параметры тока и наблюдаемое изменение его во времени ко­леблются в широких границах. При разряде с тела человека раз­ряд различается в зависимости от того, исходит ли искра с кон­чика пальца, с большой площади тела или от инструмента (гаеч­ный ключ), который находится в руке и т.д. Искра обладает силь­но нелинейными свойствами. При слабом заряде, т.е. при потен­циалах тела человека ниже примерно 8 кВ, а для проводящих предметов ниже примерно 3 кВ, искра при определенных обстоятельствах, вследствие недостаточного получения дополнительных зарядов из соседних с ней областей прерывается на короткое вре­мя и вновь зажигается, когда потенциал зоны разряда (например, кончик пальца) в результате дополнительного притока зарядов вновь поднимется. Формы кривых тока имеют в этом случае сложный вид, особенно фронт импульса. Для описания этих ва­риантов сосредоточенные компоненты простой схемы замеще­ния согласно рис. 2.5 заменяются распределенными параметра­ми, и переходные процессы описываются теорией длинных электрических линий.

До настоящего времени мы исходили из того, что заряженное тело разряжается непосредственно на землю (R_з→ 0, С_з→ ) и тем самым оно принимает за короткое время потенциал земли. Но часто имеют место случаи, когда во время разряда часть заря­дов стекает на другое изолированное тело (R_з→ ) например, при касании к интегральной схеме, лежащей на рабочем столе, или при касании к электронному узлу. Искра прерывается тогда, когда оба тела приняли равный потенциал, если не учитывать падение напряжения на искре.

Если до появления искры на конденсаторе С_и находится заряд , то новый потенциал обоих тел может быть найден из форму­лы:

Исходя из этого потенциала параллельно включенные емкос­ти разряжаются затем с постоянной времени

причем, как правило, может быть принято R_п< < R_и и R_п< < R_з.