Je to jen bomba aneb Proč elektronická zařízení explodují / Habr

Když jsem byl školák, maminka se občas s hrůzou dívala na moje zásoby rádiového harampádí, které sloužilo jako zdroj rádiových součástek. Tato hrůza se zformovala v otázce: jsi si jistý, že tam nic nevybuchne? A nutno říci, že otázka nebyla bezdůvodná: v našich zlatonosných krajích, bohatých nejen na drahé kovy, ale i na různé výbušniny, došlo k četným případům, kdy si děti přinesly domů elektrické rozbušky a další nebezpečné věci. Věděl jsem ale dobře nejen to, jak rozbuška vypadá, ale také jak s ní zacházet a nikdy by mě nenapadlo ji doma skladovat. Takže moje poklady byly neškodné. Zhruba jako na KDPV (pokud někdo nechápe, jde o obyčejné hodinky v extravagantním designu).

Není tomu však vždy tak. Někdy elektronika exploduje. A o tom je můj článek.

Existuje takový jev – elektrický výbuch

Pokud procházíte dostatečně velkým proudem tenkým drátem, zahřeje se a vyhoří. Povaha tohoto jevu silně závisí na síle proudu: pokud při nízkých hodnotách ano prostě to vyhořía tento proces bude trvat sekundy nebo desetiny sekundy, pak při vysokých proudových hustotách (10 4 -10 6 A/mm 2 ) uvolněné teplo promění drát v páru během několika zlomků mikrosekundy nebo několika mikrosekund. Navíc je pára monstrózně vysoce stlačená (s hustotou jako pevná měď!) a je pod extrémně vysokým tlakem. Jeho teplota je také poměrně vysoká. Okamžitě se začne rozpínat nadzvukovou rychlostí a generuje rázovou vlnu, jejíž energie se přemění asi na čtvrtinu celkové energie dodané drátu. Jiná verze elektrického výbuchu je realizována při průrazu kapalného nebo pevného dielektrika, které se ve výbojovém kanálu mění v páru.

Elektrická exploze je zajímavý jev a má mnoho užitečných aplikací: používá se ke generování rázových vln a vytváření ultravysokých tlaků a teplot, k výrobě nanočástic a ukládání tenkých filmů a provádění chemických reakcí, které vyžadují extrémní podmínky. Elektrická exploze se používá k atomizaci vzorků v emisní spektrální analýze; používá se k generování seismických vln pro sondování mořského dna a dokonce i drcení hornin. V elektronice je elektrický výbuch jistě škodlivý jev. Rozvíjí se samozřejmě v nouzové situaci a následně může značně zkomplikovat opravy. Mluvíme zde nejen o spálených vodičích, ale také o mědi, která se v podobě vodivého filmu usadila na všem kolem. O rázových vlnách, které jsou schopné např. odtrhnout svařovací drát od krystalu mikroobvodu, který je umístěn na druhém konci desky a na první pohled není nijak poškozen. Konečně může výbuchový tlak vytrhnout velké části z desky nebo dokonce desku zdeformovat a roztrhnout pouzdro. A nejnepříjemnějším důsledkem je, že ionizované páry mědi vytvářejí podmínky pro to, aby oblouk vzniklý po výbuchu byl vržen na nízkonapěťové obvody – zde již existuje nebezpečí úrazu elektrickým proudem a pravděpodobnost požáru a materiálních škod v důsledku náhlé připojení nejnovějšího iPhonu přímo do sítě 220 V Typickým místem, kde k takové nehodě dojde, je spínání zdrojů na straně sítě. Při sepnutém vstupním usměrňovači se ke zkratovému proudu sítě přičte vybíjecí proud filtračního kondenzátoru a celkový proud v pulsu může snadno dosáhnout tisíců a desetitisíců ampér! Takový proud snadno odpaří nejen tištěné vodiče, ale i vývody rádiových součástek.

Prevencí před podobnými hrůzami je omezení zkratového proudu. Obvykle jsou na vstupu spínaných zdrojů instalovány pojistka a termistor (NTC). Ten bohužel plní hlavně funkci omezení nabíjecího proudu při zapnutí, ale jeho zbytkový odpor – v řádu desetin ohmu – může zkratový proud několikrát snížit. U nízkoenergetických zdrojů (do 10-15 W) má smysl instalovat za usměrňovač rezistor s odporem několika ohmů – na něm se rozptýlí několik stovek miliwattů energie, ale v případě nehody proud nepřesáhne desítky ampér. V takových obvodech je dobrou praxí používat vypínací odpory, které zároveň fungují jako pojistka. Rovněž by se neměla zanedbávat opatření proti přenosu oblouku ve formě přepážek mezi vysokonapěťovou a nízkonapěťovou částí obvodu.

V nízkonapěťových obvodech, dokonce i vysokoproudých (a takové nejsou v moderní počítačové technice neobvyklé), elektrický výbuch se obvykle vyvíjí pouze uvnitř pouzder tranzistorů a mikroobvodů, někdy je exploduje zevnitř, ale aniž by způsobil další destrukci.

Prásk z kondenzátoru

Znáte zábavu sovětských dětí – zapojte větší „elektrolyt“ do zásuvky a běžte? Někdy se to stane v zařízení, když kondenzátor z toho či onoho důvodu selže. Výsledek je často tristní: útržky fólie jsou rozházené po celé karoserii, zkratují všechno a všechny, takže prostě není co opravovat – vše je úplně spálené. Povaha výbuchu je jednoduchá a nenáročná: vroucí elektrolyt svým tlakem páry protrhne utěsněné pouzdro a vymrští jeho obsah. Takto může „vzlétnout“ nejen oxidový kondenzátor – umí to i papírové a filmové kondenzátory, pokud mají trochu odolné pouzdro. Baterie explodují stejným způsobem, pokud nejsou správně nabité (u lithium-iontových baterií se fyzika a chemie „trochu“ liší, více níže).

Mimochodem, takové výbuchy mohou představovat vážné nebezpečí, zvláště když mluvíme o velkých starých sovětských kondenzátorech bez pojistného ventilu a zářezů na těle. Převezmu popis incidentu z komentářů:

Během experimentů bylo zjištěno, že kondenzátor 10000 25 mKf, 7 V(?) s pevným tělem je schopen zanechat důlek v hliníkovém profilu o hloubce 5 mm ze vzdálenosti XNUMX metrů. (@OvO)

(Citaci jsem neupravoval, abych zachoval atmosféru po výbuchu a potřesení rukou).

jak bojovat? Nainstalujte kondenzátory od dobrých firem a s rezervou, nezapomeňte vzít v úvahu jalový výkon. Mezi levnějším kondenzátorem bez pojistného ventilu a dražším s ventilem volte ten druhý, zvláště pokud je kondenzátor velký.

Obvykle jsou všechny výbuchy v elektronice omezeny přesně tou energií, která tam byla bezprostředně před výbuchem dodávána zvenčí. Ale někdy je zdroj energie uvnitř.

Uvnitř skutečné výbušniny

Stává se to také.

Víte, jak funguje tantalový kondenzátor? Mikroskopicky je to úplně stejné jako konvenční elektrolyt: na povrchu tantalu je oxidový film, který slouží jako izolant. Jen místo elektrolytu (alias druhé desky) je zde oxid manganičitý smíchaný se sazemi pro lepší elektrickou vodivost. Hlavní rozdíl je v tom, že místo role fólie je zde cihla z lisovaného tantalového prášku, jehož póry jsou vyplněny oxidem manganičitým. Připomíná vám to něco? Je to termit! Směs prášku aktivnějšího kovu a oxidu méně aktivního, ve které po zapálení dochází k prudké reakci doprovázené uvolněním velkého množství tepla, rozptylem jisker a tvorbou produktu. ve formě roztaveného kovu.

Proto není divu, že tantalový kondenzátor, který prorazil, jde do království Yamaraja ne tiše a klidně, ale s ohňostrojem. To se navíc může stát i v slaboproudých obvodech, od kterých pyrotechnické efekty po zapnutí vůbec nečekáte – energie naakumulovaná kondenzátorem stačí na zahřátí místa průrazu, než začne reakce. Tento ohňostroj může trvat několik sekund, bez ohledu na proud, a může propálit přímo skrz desku až k díře. Polymerní tantalové kondenzátory, které neobsahují oxid manganičitý, nejsou náchylné k tomuto efektu.

Výše jsem zmínil lithium-iontové baterie, říkají, že je to tam trochu jiné. Takže s nimi je to stejný příběh. Pokud vyjmete separátor z nabité lithium-iontové baterie, pak se jedná o stejnou výbušnou směs. Ostatně katodou je zde po nabití téměř oxid kobaltnatý, silné oxidační činidlo. A anoda není jen hořlavý grafit, ale je také plněna do kapacity ještě hořlavějším lithiem. A to vše – v těsné blízkosti a těsném kontaktu. Jakmile se v separátoru objeví malá dírka – mechanickým poškozením, přehřátím, výrobní vadou nebo lithiovým kovovým dendritem vzniklým nesprávným nabíjením – zahřátí zkratovým proudem tuto směs okamžitě zapálí.

jak bojovat? Zacházet s jadernou energií je kulturní, jak řekla Faina Ranevskaya. Lithium-iontové baterie vyžadují pečlivé dodržování všech příslušných bezpečnostních opatření, jejichž popis sahá minimálně do dalšího článku. A u tantalových kondenzátorů – obecně je vše jako u obyčejných, jen dokážou prorazit výbuchem i z mikrosekundových jehel. Před prvním zapnutím si vše (hlavně polaritu!) zkontrolujte a v tuto chvíli se nad desku nenaklánějte.

A někdy se to stane.

Má to tak být

Elektrické rozbušky, elektrické zapalovače a roznětky jsou v podstatě také elektronické součástky. Jejich funkcí je výbuch. Hlavní je, že vybuchnou jen na povel. To znamená, že musíte pečlivě zvážit spínací obvod tak, aby bylo vyloučeno náhodné spuštění, a to i v případě jakékoli myslitelné poruchy. Jde o specifickou oblast, velká část je zahalena tajemstvím a o tom, co není tajné, by se z pochopitelných důvodů nemělo mluvit na veřejnosti.

Kdysi se vyprávěly příběhy o squibech zabudovaných do japonských magnetofonů, navržených tak, aby explodovaly zařízení, když se pokusíte podívat dovnitř. Ve skutečnosti to bylo samozřejmě jako v písni Ivaščenka a Vasiljeva:

. A pak se rozhodli
podívejte se, co je uvnitř:
jemně otevřel víko –
nebyl nalezen žádný dynamit.

Takže v civilní sféře jsou hlavní aplikací komponent tohoto druhu automobilové airbagy.

A přeji vám, abyste nikdy nepodkopávali své vlastní struktury. A nezanedbávejte ochranné brýle.