Dlaczego elektronika łatwo ulega uszkodzeniom?

Wyładowanie atmosferyczne 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:

1. 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 ulegają 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.

2. 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.

3. 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.

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

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. Poniższy rysunek przedstawia skalę postępu miniaturyzacji na przestrzeni 30 lat na podstawie rezystorów  - postęp miniaturyzacji dla układów scalonych jest kilkakrotnie większy, co wskazuje na niską tolerancję współczesnej elektroniki na wyładowania atmosferyczne.

Wszelka treść zawarta w artykułach wraz ze zdjęciami stanowi własność firmy Ewimar Sp. z o.o. i jest chroniona prawnie. Zakaz kopiowania i udostępniania we fragmentach lub w całości, zakaz wykorzystywania w publikacjach i prezentacjach publicznych.