مهندسی میدان و مایکروویو
انجمن مهندسی مایکروویو ایران
مهندسی میدان و مایکروویو
انجمن مهندسی مایکروویو ایرانتخلیه الکتریکی (بخش دوم)
همه چیز در ارتباط با ESD بد نیست. بدن انسان رسانای مناسبی نیست. رطوبت بالا در هوا باعث می شود که بار الکتریکی به صورت بدون خطری تلف شود، هم چنین باعث می شود که مواد طبیعی ESD رساناتر شوند. به همین دلیل است که در روزهای سر زمستانی، زمانی که رطوبت داخل خانه بسیار اندک است، تعداد جرقه های روی دستگیره در افزایش می یابد. تابستان، یا روزهای بارانی، به سختی می توان مقدار قابل توجهی الکتریسته ساکن تولید کرد. اتاق های تمیز صنعتی و درکارخانه ها به منظور کنترل ESD، به تنظیم همزمان دما و رطوبت در این فصل می پردازند. سطوح سیمانی نیز رسانا هستند، بنابراین مواد بسیار زیادی وجود دارند که می توانند برای محافظت در برابر الکتریسیته ساکن کمک کنند.
به منظور محافظت در برابر ESD لازم است که ولتاژ زمین تمامی نقاط را یکسان و استاندارد کنیم. به دلایل حفاظتی در تمامی پریزها GROUND وجود دارد. در برخی موارد این کار به دلیل مقابله با الکتریسته ساکن انجام می شود.این گراند به ما این امکان را می دهد که بتوانیم الکترون های اضافی بدن، ابزارمان و غیره را تخلیه کنیم. اگر همه چیز بر روی میز کار به صورت مستقیم یا غیر مستقیم به زمین وصل شده باشد، الکتریسیته ساکن خیلی قبل اینکه تخلیه الکتریکی بتواند رخ دهد، از بین می رود.
مسئله GROUNDING می تواند به خوبی به روش های متفاوتی انجام شود. در مکان هایی با سیم کشی مدرن، از پین زمین روز پریز می توان استفاده کرد. برای زمین کردن میز کار راه درست به صورت نشان داده شده در شکل زیر است.
تخلیه الکتریکی
تخیله الکتریکی یا ElectroStatic Discharge یا به اختصار ESD، به اشکال متفاوتی روی می دهد. ESD می تواند بازه ای بین 50 ولت تا ده ها هزار ولت را پوشش دهد. توان واقعی تخلیه شده در واقع به اندازه اندک است که هیچ خطری برای اشخاصی که در مسیر تخیله الکتریکی قرار دارند ایجاد نمی شود. معمولا تخلیه الکتریکی معادل چندین هزار ولت لازم است که یک فرد متوجه رخ دادن یک ESD به صورت جرقه شود. مسئله ESD وقتی به وجود می آید که حتی یک تخلیه الکتریکی بسیار کوچک باعث نابود شدن نیمه هادی ها می شود. بار الکتریکی استاتیکی برابر با هزاران ولت بوده و این ولتاژ بسیار بالا باعثه یونزیه شده هوا و شکسته شده سایر مواد می شود.
در حین تخلیه الکتریکی تجهیزات زمانی آسیب می بینند که در مسیر ESD قرار گرفته باشند. بسیار از اجزا مانند دیودهای توان، بسیار قدرتمند بوده و می توانند در برابر تخلیه الکتریکی مقاومت کنند. ولی اگر بخشی دارای مساحت کوچک یا ضخامت اندک باشد، ولتاژ می تواند آن بخش از نیمه هادی را نابود کند. در هنگام تخلیه الکتریکی جریان در بازه های زمانی نانوثانیه و میکروثانیه، بسیار زیاد است. همین باعث ایجاد صدمات دائمی به قطعات می شود. قطعه ممکن است کاملا از کار افتاده و نابود شود. ولی ممکن است باعث تخریب پنهان قطعه شود. چنین قطعه ای ممکن است ساعت ها، روزها و حتی ماه ها کار کرده و سپس از کار بیافتد.
بعضی اوقات به این قطعات "مردگان متحرک" گفته می شود، زیرا کار می کنند ولی نه بد کار می کنند. در شکل زیر یکی از نمونه های آسیب پنهان نشان داده شده است.
حتی قطعه هایی که مقاوم فرض می شوند ممکن است در برابر ESD در خطر باشند. ترانزیستورهای دو قطبی، اولین تقویت کننده های حالت جامد نیز مصون نیستند. اگرچه مقاومت بیشتری از خود نشان می دهند. برخی از قطعات پرسرعت مدرن حتی با ولتاژهای 3 ولت نیز تخریب می شوند.
جلوگیری از آسیب: قبل از اینکه بتوانیم از ESD جلوگیری کنیم باید بدانیم چه عاملی باعث به وجود آمدنش می شود. در حالت کلی مواد اطراف محیط کار را می توان به سه گروه دسته بندی کرد. این گروه ها شامل مولد های ESD، خنثی نسبت به ESD و تلف کننده یا هادی ESD هستند. مواد مولد ESD در واقع تولید کننده های فعال استاتیکی از قبیل پلاستیک، موی گربه، الیاف پلی استر و غیره هستند. عایق ها عموما مواد خنثی نسبت به ESD بوده و علاقه ای نسبت به تولید یا نگه داشتن بارهای الکتریکی ندارد. موادی که در این گروه قرار می گیرند از قبیل چوب، کاغذ و پنبه هستند. قرار گرفتن در این گروه به این معنی نیست که نمی توانند مولد ESD باشند ولی ریسک آن ها نسبت به بقیه حداقل مقدار ممکن است. به عنوان مثال چوب و محصولات چوبی جاذب رطوبت بوده که می تواند آن ها را اندکی رسانا کند. این امر درباره بسیاری از مواد ارگانیک صادق است. یک میز بسیار پولیش شده در این گروه قرار نمی گیرد زیرا پولیش معمولا پلاستیک بوده که عایق بسیار کارامدی است.
رساناهای ESD بسیار مشخص و مشهود هستند، همگی وسایل فلزی در این دسته قرار می گیرند. دسته های پلاستیکی می توانند ایجاد مشکل کنند ولی یک فلز اگر بر روی سطح زمین شده قرار داشته باشد، بار الکترواستاتیک را به همان سرعتی که ایجاد شده از خود عبور داده و به زمین انتقال می دهد. مواد دیگر نیز وجود دارد مانند پلاستیک هایی که طوری طراحی شده اند که رسانا باشند. این مواد در دسته اتلاف کننده های ESD قرار می گیرند. خاک و سیمان نیز رسانا بوده و در دسته اتلاف کننده های ESD قرار می گیرند.
کارهای زیادی وجود دارند که باعث ایجاد الکتریسیته ساکن می شوند، و شما نیاز دارید برای کنترل ESD از آن ها اطلاع داشته باشید. عمل ساده ی کشیدن سیم تلفن می تواند باعث ایجاد ولتاژهای بسیار بالا شود. تکان خوردن بر روی صندلی نیز می تواند الکتریسیته ساکن تولید کند. در حقیقت هر عملی که باعث به هم ساییده شدن دو سطح به یکدیگر شود می تواند باعث تولید بار ساکن شود. به همین دلیل روشی باید وجود داشته باید که این ولتاژ را پیوسته تخیله کند. در هنگام کار با قطعات باید از حضور و استفاده از موادی که بالقوه تولید کننده ای استاتیک های بالا هستند، خودداری کرد.
پلاستیک ها معمولا تولید کننده های الکتریسیته ساکن هستند. به همین دلیل پلاستیک های رسانا ابداع شدند. راه معمولی برای تولید پلاستیک رسانا اضافه کردن ناخالصی ای به آن بوده که خواص عایقی آن را به رسانایی تبدیل کند. با این حال این پلاستیک ها هنوز هم دارای مقاومتی معادل میلیون ها اهم بر اینچ مربع هستند. این پلاستیک ها همچنین برای استفاده به عنوان رسانا در کاربردهایی که کاهش وزن اهمیت زیادی دارد ساخته شده اند. یکی از این کاربردها استفاده در صنعت هوانوردی به منظور سبک سازی هرچه بیشتر هواپیما است.
بهره تقویت کننده ها
تقویت کننده ها
یک مزیت کاربردی قطعات فعال توانایی تقویت کردن شان است. چه قطعه کنترل شده با جریان باشد و چه کنترل شده با ولتاژ، مقدار توان مورد نیاز برای کنترل جریان خروجی بسیار کمتر از توان خروجی ناشی از جریان عبوری از قطعه است. به بیان دیگر یک قطعه فعال فقط دارای ویژگی کنترل الکتریسیته با الکتریسیته نیست، بلکه این قطعه اجازه می دهد که یک مقدار ناچیز از الکتریسیته (ولتاژ یا جریان سیگنال کنترلی) مقدار بسیار بزرگ و زیادی از الکتریسیته (جریان خروجی) را کنترل کند.
به دلیل همین تفاوت در توان کنترل کننده و کنترل شده، تجهیزات و قطعات فعال را می توان برای بدست آوردن توان بسیار زیاد (کنترل شده) با اعمال مقدار بسیار کمتر از توان (کنترل کننده) استفاده کرد. به این رفتار تقویت گفته می شود.
یکی از بنیادی ترین قوانین فیزیک به ما می گوید که انرژی نه تولید و نه نابود می شود. این قانون به قانون پایستگی انرژی معروف بوده و هیچ استثنایی برای آن تا کنون دیده نشده است. اگر این قانون درست است - حجم وسیعی از آزمایشات این نتیجه گیری را پیشنهاد می کنند- بنابراین غیر ممکن است قطعه ای بسازیم که با دریافت مقدار اندکی انرژی در خروجی مقدار بسیار زیادی انرژی تحویل دهد. تمامی ماشین ها، و همین طور مدارات الکترونیکی و الکتریکی، دارای ماکزیمم راندمان 100 درصد هستند. در بهترین حالت توان خروجی با توان ورودی برابر است.
توان خروجی یک ماشین می تواند به اندازه توان ورودی باشد، ولی هرگز نمی تواند از آن بیشتر باشد. حد بالای راندمان 100 درصد است. معمولا، ماشین ها به نزدیکی های این حد هم نمی رسند. و بخش اعظمی از انرژی ورودی را به صورت دما به محیط پیرامون انتقال می دهند.
یک ماشین واقعی بخشی از انرژی ورودی خود را در فرآیند تولید انرژی در خروجی، به صورت دما از دست می دهد.
افراد بسیاری تلاش های نافرجامی برای ساخت و طراحی ماشینی که توان خروجی آن بیشتر از توان ورودی اش باشد، انجام داده اند. این ماشین حرکت دائمی در صورت ساخت نه تنها قانون پایستگی انرژی را نقض می کند بلکه سرمنشا انقلاب عظیمی در تکنولوژی خواهد بود، زیرا این ماشین می تواند توان ورودی خود را تامین کرده و توان بیشتری به صورت رایگان تولید کنند.
یک کلاس از ماشین ها که تقویت کننده نامیده می شوند، می توانند مقدار اندکی از سیگنال ورودی را به توان بسیار بیشتری تبدیل کنند. کلید درک این چگونگی عملکرد تقویت کننده ها، بدون نقض قانون پایستگی انرژی ، در نحوه ی عملکرد آن ها نهفته است.
چون تجهیزات فعال توانایی کنترل توان های بالای الکتریکی با استفاده از یک سیگنال کنترلی با توان اندک را دارند. آن ها را در مدار طوری باید در نظر گرفت که سیگنال ورودی خود را در خروجی با توان بیشتر ایجاد کرده و برای این کار از یک منبع توان خارجی استفاده می کنند. این قطعه با این تعریف می تواند سیگنال با توان اندک ورودی را به سیگنالی با توان بسیار زیادتر تبدیل کند. قانون پایستگی انرژی نقض نمی شود زیرا توان لازم برای انجام این کار از یک منبع توان دیگر گرفته می شود. تقویت کننده ها نه انرژی تولید می کننده و نا آن را از بین می برند، بلکه آن را تقویت می کنند.
یک تقویت کننده سیگنال کوچک ورودی را به سیگنال بزرگتر در خروجی تبدیل می کند، و منبع انرژی این کار یک منبع توان خارجی است. به بیان دیگر یک قطعه فعال با استفاده از قابلیت کنترل جریان، از توان DC منبع خارجی استفاده کرده و سیگنال ورودی را با توانی بسیار بیشتر در خروجی ایجاد می کند. ترانزیستور یا هر قطعه فعال موجود در یک تقویت کننده یک کپی بسیار بزرگتر از سیگنال ورودی با استفاده از توان DC باتری یا هر منبع خارجی تولید می کند. تقویت کننده ها نیز مانند تمامی ماشین های دیگر دارای راندمان هستند. و نهایت راندمان تقویت کننده ها نیز 100 درصد خواهد بود. معمولا تقویت کننده های الکترونیکی دارای کارایی بسیار کمتری از این حد بوده و بخش قابل توجهی از توان را به صورت دما تلف می کنند.
از مدارات الکتریکی به مدارات الکترونیکی
مدارات الکتریکی ترکیبی از سیم های رسانا و سایر قطعاتی هستند که در آن ها شارش یکنواخت الکترون ها اتفاق می افتد. مدارات الکترونیکی یک بعد جدید به مدارات الکتریکی اضافه کردند، این بعد به معنی کنترل شارش جریان الکترون ها به وسیله ی یک سیگنال الکتریکی دیگر، ولتاژ یا جریان، است.
البته به خودی خود کنترل شارش الکترون ها مبحث جدیدی برای دانشجویان و متخصصان مدارات الکتریکی نیست. سوئیچ ها نیز شارش الکترون ها را کنترل می کنند، و همچنین پتانسیومترها، هنگامی که به عنوان مقاومت متغیر استفاده شوند. نه سوئیچ ها و نه پتانسومترها مباحث جدیدی در تجربیات و مطالعات شما نیستند. مرزی که مدارات الکتریکی و الکترونیکی را از یکدیگر جدا می کند، در چگونگی کنترل الکترون ها است و نه اینکه آیا اصلا کنترلی در مدار وجود دارد یا خیر. سوئیچ ها و رئوستاها شارش الکترون ها را بر اساس موقعیت مکانیکی شان کنترل می کنند. این موقعیت مکانیکی نیز توسط یک نیرویی خارج از مدار به آن ها وارد شده است. در الکترونیک ما با قطعات خاصی سروکار داریم که شارش الکترون ها را بر اساس شارش دیگری از الکترون ها، و یا اعمال یک ولتاژ استاتیک کنترل می کنند. به بیان دیگر در مدارهای الکترونیکی، الکتریسته می تواند الکتریسیته را کنترل می شود.
ورود به عصر الکترونیک با اختراع لامپ توسط توماس ادیسون شروع گردید. ادیسون متوجه شد که جریان های اندکی از درون فیلمان گرم لامپ به صفحه ی فلزی ای که در خلا قرار گرفته است، می گذرد. امروزه به این "اثر ادیسون" گفته می شود. توجه داشته باشید که باطری تنها برای گرم کردن لامپ لازم است.
در سال 1904 مشاور شرکت بی سیم مارکونی، جان فلمینگ متوجه شد که جریان ایجاد شده توسط یک منبع خارجی (باطری) تنها در یک جهت و از فیلمان به سمت صفحه فلزی منتشر می شود (شکل b). ولی این جهت جریان از سمت مخالف ممکن نیست. این اختراع در واقع همان دیودهای خلا بود و برای تبدیل جریان های نوسانی به dc مورد استفاده قرار گرفت. لی دفورست با اضافه کردن الکترود سوم (شکل c) توانست با یک سیگنال کوچک شارش جریان الکترون ها از سمت فیلمان به سمت صفحه را کنترل کند.
به لحاظ تاریخی عصر الکترونیک با اختراع تیوب اودیون (Audion tube) شروع گردید. تیوب اودیون وسیله ای بود که می توانست شارش الکترون ها را در خلا با اعمال یک ولتاژ کوچک به دو صفحه فلزی داخل تیوب کنترل کند. امروزه به این تجهیزات تیوب الکترون (electron tube) یا تیوب خلا (vacuum tube) گفته می شود.
تکنولوژی الکترونیک در سال 1948 با اختراع ترانزیستورها، انقلابی در این علم را تجربه کرد. این قطعه بسیار کوچک تقریبا همان رفتار تیوب اودیون را داشت، ولی از لحاظ ابعاد و مواد به کار رفته در آن قابل مقایسه نبود. ترانزیستورها شارش الکترون ها را از طریق مواد نیمه هادی، بجای خلا، کنترل می کنند. به همین دلیل به تکنولوژی ترانزیستورها غالبا الکترونیک حالت جامد (solid-state) گفته می شود.