Spis treści:
- 1 Vadná meteorologická stanice neboli voda a vlhkost.
- 2 Teplota, nejen příliš vysoká
- 3 Něco vystřelilo neboli elektrostatický výboj
- 4 Bezprecedentní problém v čistých prostorách - prach a nečistoty
- 5 Neviditelné poškození nebo nárazy a vibrace
- 6 Tajný nepřítel - elektromagnetické rušení
- 7 Elektronika v OP1 nebo chemické nebezpečí
- 8 Jak umírají satelity - kosmické záření
- 9 Nezapomeňte - elektronika není nesmrtelná
Moderní elektronika je nedílnou součástí našich životů a je přítomna téměř ve všech aspektech každodenní činnosti. Elektronické součástky, které se obvykle skrývají uvnitř krytů, jsou nedílnými společníky našeho dne – od smart home zařízení až po pokročilé lékařské systémy. Pro zachování výkonnosti a spolehlivosti zařízení je však nutné pochopit a účinně chránit elektronické komponenty před vnějšími vlivy, jako je vlhkost, prach, vibrace nebo elektromagnetické rušení.
Téměř každé zařízení je vystaveno specifickému poškození, od mobilních telefonů, které nás provázejí deštivými večery, až po systémy řízení letu v letadlech, které musí pracovat v extrémních povětrnostních podmínkách. Destruktivních faktorů pro elektroniku je celá řada a každý z nich je samostatnou výzvou pro konstruktéry zařízení a strojů, které nás provázejí každý den.
V tomto článku se ponoříme do světa zabezpečení elektroniky. Zjistíme, jak konstruktéři a designéři vytvářejí řešení, která umožňují spolehlivou funkci zařízení bez ohledu na povětrnostní podmínky, prostředí nebo náročnost aplikace. Seznámíme se s moderními technologiemi a postupy, jak toho dosáhnout, a dozvíme se, proč je zabezpečení elektroniky v dnešním digitálním světě tak důležité.
Vadná meteorologická stanice neboli voda a vlhkost.
Voda, a tedy i vlhkost, patří k nejničivějším vnějším faktorům, které mohou výrazně poškodit elektroniku. Jejich vliv na elektronická zařízení je velmi nebezpečný, protože vede k vážným problémům, jako jsou zkraty a koroze.
Voda je obzvláště destruktivní díky svým vodivým vlastnostem. Pokud se dostane dovnitř zařízení, může způsobit zkraty mezi součástkami, cestami nebo vodiči, což vede k závažným poruchám nebo úplnému zániku zařízení. Vlhkost navíc může způsobit korozi kovových součástek na deskách plošných spojů a konektorů, což vede k dlouhodobé degradaci a ztrátě spojení mezi nimi. To je důležité zejména pro zařízení používaná v mořském nebo průmyslovém prostředí, kde je přítomnost vlhkosti stálá. Kromě toho může vlhkost poškodit zařízení, jako jsou domácí meteorologické stanice nebo solární světla, která osvětlují zahradu.
Ochrana elektroniky před účinky vody a vlhkosti vyžaduje pokročilé technologie, jako jsou těsnění, hydrofobní povlaky a hermetické kryty. Kromě toho může riziko poškození vlhkostí snížit také zajištění odpovídajícího větrání a regulace teploty. Stojí za zmínku, že v dnešním světě, kde je elektronika stále častěji přítomna v našem okolí, se účinná ochrana proti vodě a vlhkosti stává klíčovým prvkem pro zajištění spolehlivosti elektronických zařízení.
Teplota, nejen příliš vysoká
Dalším důležitým vnějším faktorem, který může významně ovlivnit spolehlivost a výkon elektroniky, je teplota. Elektronické součástky jsou často velmi citlivé na extrémní teploty, a to jak na extrémní chlazení, tak na intenzivní teplo. Její destruktivní účinek se projevuje jak napěťovými špičkami, tak změnami odporu materiálů.
Extrémně nízké teploty se vyskytují v kosmickém průmyslu. Součásti, spoje a následně celé jednotky jsou vystaveny jeho destruktivnímu charakteru, jehož důsledkem může být například křehnutí materiálů součástí . Na druhou stranu vysoké teploty, které se mohou vyskytovat v počítačových systémech nebo průmyslových zařízeních, urychlují degradaci polovodičových součástek, což zkracuje jejich životnost a snižuje jejich výkon. Pokud se chcete dozvědět více o vlivu vysoké teploty na polovodiče, doporučuji podívat se na jeden z mých zdrojů o hořícím tranzistoru.
K ochraně elektroniky před účinky teploty se používají různé techniky, které můžeme označit jako tepelný management, typickými příklady jsou aktivní a pasivní chlazení a tepelně izolační materiály. Klíčové je také použití specifických elektronických součástek se zvýšenou teplotní odolností. Pochopení vlivu teploty na konkrétní aplikaci je zásadní pro návrh spolehlivých elektronických obvodů, zejména v oblastech, kde dochází k výraznému kolísání teploty.
Něco vystřelilo neboli elektrostatický výboj
Elektrostatický výboj, známý také jako ESD (ElectroStatic Discharge), je významnou hrozbou pro spolehlivost a životnost elektroniky. K těmto náhlým tokům elektrického náboje může dojít v důsledku nerovnováhy potenciálu mezi dvěma body, k čemuž často dochází při montáži, skladování nebo manipulaci s elektronickými součástkami. Ničivé účinky ESD na elektroniku se projevují zejména v mikroměřítku, kde i malé výboje mohou způsobit poškození integrovaných obvodů, tranzistorů a dalších součástek.
Dopad ESD se neomezuje pouze na fyzické poškození součástek, ale může vést i k nenápadným poruchám, které nejsou na první pohled patrné. Takové poškození může způsobit rušení provozu zařízení nebo vést k jeho postupné degradaci. V důsledku toho je ESD jedním z hlavních zdrojů poruch elektronických obvodů a může významně ovlivnit náklady na údržbu a spolehlivost elektronických zařízení.
Na ochranu elektroniky před účinky ESD se přijímají různá opatření, například správné uzemnění, používání speciálních ochran ESD nebo dodržování správných postupů při manipulaci a montáži elektronických součástek. Klíčovým aspektem při vytváření odolných a spolehlivých elektronických systémů je také navrhování obvodů s ohledem na ochranu proti elektrostatickému výboji. Základem ochrany elektroniky před tímto destruktivním faktorem je pochopení a uvědomění si vlivu ESD.
Bezprecedentní problém v čistých prostorách - prach a nečistoty
Prach a špína jsou faktory, před kterými není úniku, a co je nejhorší, mohou výrazně ovlivnit spolehlivost a životnost elektroniky. Tyto mikroskopické částice, které se usazují na povrchu a ve štěrbinách elektronických zařízení, vedou k různým problémům, od přehřívání součástek až po poruchy zařízení.
Vrstva prachu na elektronických součástkách může působit jako tepelný izolant, což vede k jejich přehřívání a zároveň omezuje dostatečné proudění vzduchu uvnitř zařízení. Elektronická zařízení, která pracují v prašném prostředí, jako jsou sklady nebo papírenský průmysl, se tak mohou snadno poškodit. Kromě toho může usazený prach způsobit rušení citlivých součástí, jako jsou vodiče, kontakty.
K ochraně elektroniky před prachem a nečistotami se používají různá opatření, jako jsou speciální kryty, vzduchové filtry, vzduchotěsná těsnění a také pravidelná údržba a čištění zařízení. Klíčovou roli při minimalizaci dopadu těchto nežádoucích faktorů na elektroniku hraje také vhodné větrání a kontrola pracovního prostředí.
Neviditelné poškození nebo nárazy a vibrace
Rázy a vibrace představují vážný problém pro spolehlivost a odolnost elektroniky, zejména v situacích, kdy je zařízení vystaveno pravidelným a intenzivním vibracím. Destruktivní vliv těchto faktorů je patrný zejména v případě integrovaných obvodů, pevných disků, mechanických součástí a spojů.
Nárazy a vibrace mohou způsobit uvolnění nebo přerušení spojů mezi elektronickými součástkami, což vede k přerušení obvodů a závažným poruchám. Mechanické součásti, jako jsou pevné disky, jsou navíc obzvláště náchylné k poškození vibracemi, což může vést ke ztrátě dat a trvalému poškození zařízení.
K eliminaci nebo alespoň snížení účinků nárazů a vibrací na elektroniku se používají různé techniky, například tlumení, pružinové upevnění a speciální pouzdra a držáky, které pohlcují energii vibrací. Běžnou praxí je také navrhování zařízení s ohledem na odolnost proti nárazům, kdy se používají zesílené spoje a mechanická ochrana.
Tajný nepřítel - elektromagnetické rušení
Elektromagnetickérušení, známé také pod pojmem EMI (ElectroMagnetic Interference), je významným rizikovým faktorem pro elektroniku. Toto rušení zahrnuje širokou škálu elektromagnetických signálů, jako jsou rádiové vlny, rádiové rušení, elektromagnetická pole nebo tzv. elektromagnetický šum. Jejich vliv na elektroniku může být destruktivní, což může vést k nestabilitě provozu, zkreslení přenosu signálu nebo v extrémních případech dokonce k poškození součástek.
U zařízení, která pracují v těsné blízkosti zdrojů EMI (elektromagnetického rušení), jako jsou elektromotory nebo telekomunikační zařízení, může elektromagnetické rušení způsobit chyby v přenosu dat a snížit výkon elektroniky. V některých případech může intenzivní elektromagnetické rušení vést k poškození součástí, jako jsou např. tranzistory nebo mikroprocesory, což může být nákladné na opravu a vést k odstávkám zařízení.
K ochraně elektroniky před elektromagnetickým rušením se používají různá řešení, například stínění, filtry EMI a vhodné uspořádání součástek na deskách plošných spojů. Ochrana proti EMI se často zohledňuje již ve fázi projektování pomocí kovového elektromagnetického stínění a vhodných krytů. Pochopení vlivu elektromagnetického rušení a vhodná ochranná opatření jsou klíčem k zajištění spolehlivosti a konzistence výkonu elektroniky, zejména v dnešním prostředí, které je nasyceno různými zařízeními a zdroji EMI.
Elektronika v OP1 nebo chemické nebezpečí
Chemické prostředky jsou poměrně obecným pojmem, který může být také hrozbou pro spolehlivost a životnost elektroniky. Chemikálie mohou nepříznivě ovlivnit její výkon a životnost, zejména u zařízení, která pracují v prostředí a prostorách, kde jsou přítomny agresivní chemikálie.
Kyseliny, zásady a sole mohou vést ke korozi kovových součástek na deskách s plošnými spoji a dalších částech elektronických systémů. Které mohou způsobit poškození spojů, což může vést k selhání celého zařízení. Nežádoucími látkami jsou také organická rozpouštědla, jako je aceton nebo toluen, která mohou rozpouštět a poškozovat plastové kryty a izolátory v elektronických zařízeních. Kromě toho existuje celá řada agresivních specifických látek obsahujících silné chemikálie, jako je chlor, které mohou poškodit součásti a vést ke korozi.
Ochrana elektroniky před chemickými látkami je velmi široké téma. Můžeme se setkat s různými způsoby ochrany, jako jsou hermetická pouzdra, těsnění a speciální ochranné nátěry. Výběr vhodných materiálů, které jsou odolné vůči agresivním chemikáliím, je rovněž zásadní pro konstrukci spolehlivých elektronických zařízení. Pro zařízení pracující v chemickém, laboratorním nebo zdravotnickém průmyslu je chemická ochrana nepostradatelnou součástí zajištění spolehlivosti a životnosti.
Jak umírají satelity - kosmické záření
Kosmické záření je jednou z nejvýznamnějších a potenciálně nejničivějších hrozeb pro elektroniku. Toto záření se skládá z různých typů nabitých částic, jako jsou protony, elektrony a atomová jádra, které se pohybují s vysokou energií a pronikají do kosmického prostoru. Vliv kosmického záření na elektroniku se projevuje zejména u zařízení pracujících na oběžné dráze Země a mimo ni, jako jsou družice a kosmické sondy.
Kosmické záření může téměř neinvazivně poškodit křemíkové jádro integrovaného obvodu a způsobit chyby v paměti nebo nestabilní provoz zařízení. Celý proces je založen na jevu ionizace, který může změnit náboj elektronů v čipu nebo narušit tok elektrického proudu. Z dlouhodobého hlediska může kosmické záření vést k degradaci materiálů, zejména polovodičů, což snižuje spolehlivost a životnost zařízení.
Konstruktéři vesmírných zařízení používají různé typy strategií a technologií na ochranu elektroniky před kosmickým zářením. Jedním z nejdůležitějších řešení je použití tzv. radiačně odolných integrovaných obvodů (RRIC), které jsou speciálně navrženy tak, aby odolaly bombardování nabitými energetickými částicemi. Kromě toho lze nalézt olověné stínění nebo jiné stínicí materiály, jejichž účelem je co nejvíce minimalizovat účinky kosmického záření na elektroniku. Zajímavá je také technologie autonomní detekce a korekce radiačního poškození v reálném čase.
Nezapomeňte - elektronika není nesmrtelná
Ochrana elektroniky před vnějšími podmínkami je mimořádně důležitým aspektem procesu návrhu zařízení. Bez ohledu na to, zda stavíte meteorologickou stanici, která musí být odolná proti vlhkosti, pracujete v továrně s vibracemi na výrobních linkách nebo navrhujete elektroniku odolnou proti vesmírnému záření ve společnosti SpaceX, musíte mít na paměti, že podmínky, ve kterých vaše zařízení pracuje, jsou nesmírně důležité.
Zdroje:
https://resources.altium.com/pl/p/circuit-design-tips-pcb-moisture-protection-humid-environments
https://ep.com.pl/rynek/prezentacje/14337-jak-zabezpieczyc-moduly-elektroniczne-aby-dzialaly-bezawaryjnie
www.rafalbartoszak.pl/jak-pali-sie-tranzystor-w-ukladzie-wspolnego-emitera/
https://www.analog.com/en/thought-leadership/challenges-for-electronic-circuits-in-space-applications.html
www.airinnovations.com/blog/semiconductor-clean-room-requirements/
www.agro-chemistry.com/news/chemical-industry-is-switching-to-renewable-carbon/
