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ESD - Descargas eletrostáticas (ART702)

Nas localidades mais afastadas do litoral, principalmente no inverno, a umidade relativa do ar cai a valores tão baixos que o acúmulo de eletricidade estática em objetos de uso comum atinge elevados níveis. Fora os problemas de eventuais choques quando tocamos na fechadura de um carro ou numa torneira (por estarmos carregados), para quem trabalha com dispositivos eletrônicos sensíveis, a coisa é muito mais grave. Componentes sensíveis, circuitos integrados e até mesmo placas podem ser danificadas até mesmo no processo de se retirá-los de uma embalagem. A ESD ou Descarga Eletrostática vai ser o assunto deste artigo. Na época desta atualização, em 2012, já contávamos com diversos rtigos sobre ESD no site, e também em novas obras que publicamos como o Curso de Eletrônica - Eletrônica Básivca - Volume 1.

 

Na natureza a tendência é que os corpos permaneçam neutros, ou seja, com igual número de cargas positivas e negativas, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1
Figura 1

 

Na prática, entretanto não é isso o que ocorre. Diversos fenômenos podem quebrar esse equilíbrio e cargas de determinada polaridade podem prevalecer nos corpos, causando então diversos tipos de problemas quando a neutralidade é novamente atingida. Isso ocorre, porque essa neutralidade é atingida com uma descarga ou forte movimentação dessas cargas, conforme mostra a figura 2.

 

Figura 2
Figura 2

 

O desequilíbrio dessas cargas pode atingir valores tão elevados que os corpos em que isso ocorre estarão submetidos à tensões de centenas ou milhares de volts. Uma pessoa caminhando num carpete pode acumular cargas em seu corpo num potencial que pode facilmente superar os 1 000 V.

Nos cursos do nível médio aprendemos que podemos quebrar o equilíbrio elétrico de um corpo por atrito, contacto ou indução. Para o profissional da eletrônica é preciso saber como restabelecer o equilíbrio para evitar que ele cause estragos nos componentes e circuitos eletrônicos. A figura 3 mostra o que ocorre nos três casos.

 

Figura 3
Figura 3

 

Mas, quais são os meios que os profissionais que precisam trabalhar em lugares secos com componentes sensíveis devem usar para evitar que cargas estáticas se acumulem em locais impróprios causando problemas?

 

Aterramento

Qualquer corpo carregado ligado à terra descarrega-se, conforme sugere a figura 4.

 

Figura 4
Figura 4

 

Um profissional que manuseia peças de plástico e esteja isolado da terra (piso isolante ou carpete) pode acumular centenas ou milhares de volts durante seu trabalho. A solução mais adotada em casos como este e a de se aterrar o operador. Para essa finalidade temos diversos procedimentos que podem ser adotados.

Um deles consiste em se usar pulseiras ou caneleiras de aterramento, conforme mostra a figura 5.

 

Figura 5
Figura 5

 

No entanto, numa linha de montagem, num laboratório de desenvolvimento ou de manutenção de equipamentos eletrônicos, o aterramento pode ser muito mais complexo. Diversos recursos devem ser usados para se evitar a ação das descargas estáticas capazes de destruir equipamentos sensíveis.

Todas as bancadas de trabalho, prateleiras e outros locais que potencialmente possam representar a possibilidade de um acúmulo de eletricidade estática devem ser aterrados. Na figura 6 temos uma figura que ilustra esses locais.

 

Figura 6
Figura 6

 

É preciso levar em conta que alguns procedimentos que são aceitos como suficientes para se eliminar as cargas podem não ser. Por exemplo, se aterrarmos um profissional, as cargas acumuladas na sua roupa podem não ser eliminadas. De fato, certos materiais usados nas roupas são tão pobres condutores de eletricidade, que mesmo aterrando a pessoa, a roupa ainda mantém a carga, conforme mostra a figura 7.

 

Figura 7
Figura 7

 

Veja que o aterramento é eficiente quando existe percurso para que toda a carga acumulada num corpo se escoe para a terra.

Também é muito importante identificar a área protegida (EPA - ESD Protect Area) de modo que as pessoas que nela trabalham estejam conscientes de que é preciso tomar algumas precauções especiais quando componentes e circuitos são manuseados.

Observe que as superfícies de trabalho devem ser capazes de dissipar as cargas estáticas e ainda serem aterradas. Todos os operadores devem ter recursos para que seus corpos e roupas não armazenem cargas elétricas.

Os componentes e circuitos devem ser armazenados em locais que não armazenem eletricidade estática e mesmo suas embalagens devem ser capazes de dissipá-las.

 

Ionização

Um recurso muito importante utilizado em instalações sensíveis ao acúmulo de eletricidade estática e, portanto à ESD é a ionização.

Os ionizadores ou eliminadores estáticos, como também são chamados, são dispositivos que geram tanto cargas negativas como positivas. Essas cargas são atraídas pelo corpo carregado, conforme sua polaridade, ocorrendo o processo de neutralização, conforme mostra a figura 8.

 

Figura 8
Figura 8

 

No entanto é preciso tomar cuidado para que o material não adquira novamente cargas elétricas ao ser atritado depois de neutralizado.

Os neutralizadores por ionização ou ionizadores nada mais são do que geradores de alta tensão pulsante alternada na freqüência da rede de energia de 60 Hz. Quando pulsos de alta tensão são aplicados a uma ponta, conforme mostra a figura 9, o ar em sua volta ioniza e é dispersado por um ventilador.

 

Figura 9
Figura 9

 

No processo usado são gerados pulsos negativos nos semiciclos negativos da rede e pulsos positivos no semiciclo positivo de modo que temos a produção de íons positivos e negativos em igual quantidade.

Se o material colocado diante do ionizador estiver carregado positivamente, ele atrai apenas os íons negativos e se neutraliza. Se o material estiver carregado negativamente ele atrai os íons positivos e também se neutraliza, conforme mostra a figura 10.

 

Figura 10
Figura 10

 

Existem também dispositivos de ionização que fazem de uso de substâncias radiativas como isótopos de Polônio 210, que no entanto tem uma meia vida de apenas 138 dias. Esses materiais ionizam constantemente o ar em sua volta pela radiação nuclear, mas além de serem perigosos devem ser trocados anualmente pela perda de sua capacidade de ionização.

 

Como Solucionar Problemas de ESD

Componentes eletrônicos, placas caras e equipamentos que fazem uso de componentes sensíveis a ESD estão apresentando problemas constantes nos dias secos devido à cargas acumuladas? É hora de tentar identificar o problema para encontrar a melhor solução.

Para identificar o problema de uma forma mais precisa existem instrumentos capazes de localizar cargas estáticas. Na figura 11 temos um localizador especialmente projetado para esta finalidade.

 

Figura 11
Figura 11

 

Este tipo de localizador não só dá uma idéia da intensidade das cargas como também da sua polaridade, permitindo assim que se tomem as medidas necessárias a sua eliminação.

Uma vez identificado o problema deve-se partir para a sua eliminação. Para isso deve-se pensar tanto nos aterramentos como na possibilidade de se usar equipamentos de ionização. Se o corpo que manifesta as cargas for totalmente condutor, o aterramento resolve. No entanto, se for parcialmente condutor com áreas isolantes então deve-se pensar na solução dada pelo ionizador.

É claro que existem os casos em que as duas soluções devem ser consideradas.

 

Normas

No Brasil, as normas que regem os procedimentos para se evitar ou corrigir problemas de ESD são:

NBR14163 (97) - Terminologia Utilizada no Controle Eletrostático

NBR14164 - Simbologia ESD

Proj. 1131 003 - Requisitos Básicos Para Proteção de Componentes Sensíveis à ESD

 

Existem ainda as seguintes normas do IEC que devem ser analisadas quando se trata de proteção contra ESD:

* IEC 1340 -1 - Generalidades

* IEC 1340-1-1 - Guia para os princípios dos fenômenos eletrostáticos.

* IEC 1340-1-2 - Definições e terminologia

* IEC 1340-2 - Medidas e métodos em eletrostática

* IEC 1340-2-1 - Decaimento de cargas

* IEC 1340-2-2 - Cargabilidade

* IEC 1340-2-3 - Resistências e resistividades

* IEC 1340-3 - Métodos para simular efeitos eletrostático

* IEC 1340-3-1 - Modelo do corpo humano

* IEC 1340-3-2 - Modelo de máquina

* IEC 1340-3-3 - Modelo do componente carregado

* IEC 1340-3-4 - Modelo de efeito de campo

* IEC 1340-4 - Métodos de teste para aplicações específicas

* IEC 1340-4-1 - Avaliação da cobertura de piso

* IEC 1340-4-2 - Embalagem

* IEC 1340-4-3 - Calçados

* IEC 1340-5 - Especificações para proteção de dispositivos eletrônicos sensíveis à eletricidade estática

* IEC 1340-5-1 - Exigências gerais

* IEC 1340-5-2 - Guia do usuário

* IEC 1340-6 - Técnicas para o controle do fenômeno eletrostático & métodos para reduzir seus efeitos

* IEC 1340-6-1 - Ionizadores

 

Lembramos que essas normas estão em inglês.

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