¿La electricidad estática es realmente tan peligrosa?

Question

Soy principiante en electrónica, y en mi tiempo libre me encanta hacer cosas con mi Arduino.

Mientras manipulaba algunos módulos Bluetooth con mis manos, pensé en la descarga de electricidad estática en los chips. No estoy muy familiarizado con esto, así que tengo algunas preguntas sobre el tema, y espero que puedas ayudarme a aclarar algunas cosas en mi cabeza.

1. ¿La electricidad estática es realmente tan peligrosa?
2. ¿Realmente puedo destruir algo simple como un módulo Arduino si lo toco?
3. Suponiendo que necesito una descarga para que pase la electricidad, ¿cómo sucede esto?
4. ¿Hay algo más que debería saber?

Answer 1

¿La electricidad estática es realmente tan peligrosa?

Sí.

Los caminos conductivos dentro de un IC son realmente pequeños, por lo que no se necesita mucha energía a través de ellos para vaporizarlos.¹

Hay millones de estos caminos dentro de los ICs de un Arduino, y solo se necesita dañar uno de ellos para romper el dispositivo. Es posible que tengas suerte y rompas alguna característica que no estés usando, pero no es una buena apuesta que debas tomar.

¿Realmente puedo destruir algo tan simple como un módulo Arduino si lo toco?

¿Qué te hace pensar que un Arduino es "simple?" Los microcontroladores están entre los objetos más complejos y delicados que los humanos hacen. Los huevos Fabergé son simples y duraderos en comparación.

¿Cómo sucede esto?

Sucede de la misma manera que sientes una descarga al tocar un picaporte. Siempre que el camino a través del dispositivo sea mejor para la electricidad que escapar por tus zapatos y el aire, tomará ese camino.

Generalmente, el dispositivo es un buen camino porque está conectado a una fuente de alimentación, lo que significa que hay un camino a tierra, que es un camino de baja impedancia a un potencial de voltaje mucho más bajo.

Algunos de los pines de entrada de un Arduino estarán protegidos contra la descarga estática, pero probablemente no todos lo estén. Incluso aquellos que están protegidos pueden ser dañados con suficientes golpes. La protección no hace que un pin sea invulnerable, simplemente le permite resistir una cierta cantidad de energía de ESD. Como cualquier armadura, si le golpeas lo suficiente veces con suficiente energía, puedes romperla.

Esto no significa que desconectar el dispositivo sea una buena solución al problema, sin embargo. Por un lado, se elimina gran parte de la protección integrada en el dispositivo, porque parte de ella funciona desviando las energías peligrosas a tierra. Cuando desconectas el dispositivo, eliminas ese camino, por lo que ahora la electricidad se ve obligada a tomar un camino diferente a través del dispositivo, uno sin esta protección. Un dispositivo desconectado todavía tiene otros caminos conductivos que llevan a un potencial de voltaje más bajo. Considera que los humanos y los zapatos son malos conductores, sin embargo logramos acumular cargas estáticas y podemos ser electrocutados.

¿Hay algo más que debería saber?

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Notas al pie:

1. El tipo de descargas estáticas que sientes al tocar un picaporte oscila entre 5 kV y 15 kV dependiendo de varios factores;² la corriente máxima puede ser de 1 A. La electricidad estática se iguala en aproximadamente un microsegundo y no pasa por tu corazón, por lo que es simplemente molesto para un humano pero potencialmente fatal para una compuerta de un semiconductor.

   El cuerpo humano también puede cargarse a menos de 5 kV antes de descargar. Hay un rango donde todavía hay suficiente energía en la descarga para dañar un IC sensible, pero donde la energía es demasiado baja para que tus nervios la perciban.

2. El aire seco permite al cuerpo humano almacenar más carga porque se disipa más lentamente que en el aire húmedo, por lo que la energía en una descarga estática generalmente es mayor en invierno. El tipo de zapato también afecta la cantidad de energía que puedes entregar en una descarga estática, al igual que la alfombra. Luego tienes efectos como cuán húmeda está tu piel, si tus dedos están callosos, etc.

Answer 2

ESD se basa en el hecho de que los objetos pueden contener una carga estática, por ejemplo, cuando los electrones se desprenden de ellos por fricción; el contacto con otro objeto crea una transferencia destructiva de carga si no se controla adecuadamente. Si reorganizar tu jersey puede encender el tanque de un coche, puedes estar seguro de que las descargas electrostáticas pueden ser peligrosas para las trazas increíblemente pequeñas de cualquier circuito integrado. Un chip bajo ESD tiene prácticamente la misma tasa de supervivencia que una persona parada bajo un árbol en medio de un campo durante una tormenta eléctrica.

Todo se reduce a la prevención y protección. Primero, protección. La mayoría de las placas ampliamente extendidas como Arduino tienen protección ESD (de lo contrario tendrían muy poco éxito, ya que las personas pueden generar fácilmente descargas), y generalmente se hacen muy pocos informes de placas que quedan no funcionales debido a ESD. Sin embargo, los componentes discretos como transistores excluyen estos, por lo tanto, si construyes un circuito alrededor de esos, tú y solo tú debes asegurarte de que los circuitos estén protegidos de tales descargas.

Generalmente se basan en diodos que sujetan el voltaje de entrada/drenan la energía lejos del mismo:

Recibo entrenamiento de certificación anual sobre ESD en mi empresa (requisito previo para tener acceso a los laboratorios), y nos mostraron una de esas viejas películas de entrenamiento en las que el instructor estaba usando un detector de ESD (básicamente un osciloscopio con una antena de RF) en experimentos. Te sorprendería lo fácil que es generar 10000V: arrastrar los pies, deslizar un trozo de plástico sobre papel... Incluso deslizar esas fichas fuera de sus tubos (si no son de esas seguras para ESD) lo hará. Y cuando sucede, el alto voltaje puede perforar el aislamiento de los semiconductores y reducir drásticamente su resistencia de entrada (de decenas de megohmios a 100k en el video), si no causar un cortocircuito. No suena como mucho, pero hacer un cortocircuito donde no se supone que haya ninguno y es probable que tu circuito no funcione.

Por lo general, esto se previene mediante el uso de una puesta a tierra adecuada: usando tapetes disipativos (ni conductores ni aislantes) como superficie de trabajo y pulseras atadas a ellos a través de una resistencia integrada de 1Mohm para descargas controladas e inofensivas (y sin acumulación de carga) tanto de tu cuerpo como de la unidad en prueba. También existen ionizadores de aire para neutralizar las cargas de no conductores como papel o cinta. El suelo en sí suele ser de un material disipativo, conectado a la red tierra.