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陶顯芳老師談電磁干擾與電磁兼容(三)

發(fā)布時間:2009-02-19

中心議題:
  • 物體帶電的原理
  • 物體帶電量的計算方法
  • 電場感應(yīng)、電場干擾的產(chǎn)生原理
  • MOS電路易被靜電擊穿的原因
  • 保存IC時的防靜電方法

物體帶電與電場感應(yīng)
從原理上說,絕對不帶電的物體是不存在的,任何物體都會不知不覺地就會帶上電。每種物質(zhì)都有一個代表自己性質(zhì)的位能,兩種不同性質(zhì)的物體靠近在一起就會產(chǎn)生“接點電位差”。當(dāng)兩種不同性質(zhì)的物體接觸在一起時,這兩種物質(zhì)在其體內(nèi)就要對電荷進行重新分布,使物體保持電中性,例如:P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體互相接觸,在兩物體的交界處就會產(chǎn)生PN結(jié),在PN結(jié)內(nèi)部會產(chǎn)生一個空間電荷區(qū),這個空間電荷區(qū)的產(chǎn)生,必然要進一步使P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體——兩個物體的內(nèi)部都要對電荷進行重新分布。這時,如果再把兩個物體分開,兩個物體都將會帶電,一個帶正電,另一個帶負電。
物體帶電,相當(dāng)于自身的位能增加或降低了,若帶電物體再次與其它不同性質(zhì)的帶電物體接觸后又分開,兩帶電物體又會帶上更多的電荷,即:位能在不斷增加或降低,靜電感應(yīng)發(fā)電機就是根據(jù)這個原理制造的。

在兩個用有機玻璃材料做成的輪子上,按等分距離把兩種不同性質(zhì)的條狀金屬片,分別鑲在兩個有機玻璃輪子某一則的表面之中,相當(dāng)于金屬片一面絕緣,一面暴露。然后,把兩個鑲有條狀金屬片的有機玻璃輪子的絕緣面互相靠在一起,并按相反方向轉(zhuǎn)動,兩個輪子上不同性質(zhì)金屬片將互相感應(yīng)帶電,同時也使兩個有機玻璃輪子局部極化帶電,兩個有機玻璃輪子上的金屬片每對上一次,通過靜電感應(yīng),一個金屬片的電位會繼續(xù)升高,而另一個卻要降低。這樣,兩邊金屬片上積累的電荷將越來越多,最后,可以分別用兩個金屬毛刷把金屬片上積累的電荷收集到萊頓瓶中(用玻璃瓶做成的電容器),當(dāng)萊頓瓶中積累的電荷達到一定的數(shù)量后,即:電壓超過某個值后,萊頓瓶的兩個電極開始放電,并產(chǎn)生火光及響聲。

圖3是一個讓物體產(chǎn)生高壓電的原理圖,在水龍頭的下面安放一個用金屬薄片制作的圓圈(用金屬罐頭盒改制),金屬圓圈必須要與周圍絕緣,然后讓水龍頭流出的水正好從金屬圓圈的中央穿過,金屬圓圈很快就會帶電,并且電壓非常高,一般可達一萬伏以上。用試電筆做試驗時,當(dāng)試電筆離金屬圓圈還很遠的地方,就可以看到試電筆被點亮,甚至拿一個小熒光燈靠近,也可以看得到熒光燈微亮。這說明電壓非常高,但對人體不存在被觸電的危險,因為金屬圓圈的電容量很小,存儲的能量有限。

這個原理與摩擦發(fā)電的原理是很接近的,首先是水與周圍空氣生產(chǎn)摩擦使空氣帶電(空氣被電離成正、負離子,由于正離子比較重,很容易被水帶走),然后帶電空氣會感應(yīng)金屬圓圈帶電,或負離子直接與金屬圓圈接觸,使金屬圓圈帶負電。我們也會發(fā)現(xiàn),在大瀑布附近的空氣中負離子的濃度非常高,或下暴雨的時候,空氣中負離子的濃度也很高,主要原因就是速度極高的流水或雨滴會讓空氣產(chǎn)生電離帶電。

冬天人們走在地毯上也經(jīng)常會發(fā)現(xiàn),當(dāng)手突然碰到樓梯金屬扶手的時候,會感到手被麻電,這也是因為人體穿的皮鞋與地毯摩擦產(chǎn)生帶電,然后傳到人的身體上。其實人體帶電一般自己是沒有感覺的,哪怕人體帶上幾萬伏的電壓,一般人體也沒有感覺,只有帶電人體與其它物體接觸產(chǎn)生放電時才會感覺麻電。例如:在冬天沒有燈光的夜里,人們脫尼龍衫或毛線衣的時候,會發(fā)現(xiàn)衣服之間有藍色火光,并且還伴隨著啪、啪、啪的放電聲,這證明衣服已經(jīng)帶上非常高的電壓。
帶電物體是具有能量的,即:電場具有能量。帶電體的能量為:
(6)
上式中,C為帶電體的電容,U為帶電體的電位。帶電體的能量屬于位能,當(dāng)要計算帶電體的能量的時候,必須指出參考點,如果不特別指出,一般都把地球作為參考點,或把無限遠處作為參考點,即:把地球作為零電位,或把無限遠處作為零電位。把地球作為零電位比較方便,因為,我們所使用的一切物體都是來自地球,無論你怎樣對它加工或運作,新產(chǎn)生的電荷總是在原有電荷的基礎(chǔ)上進行疊加,所以不需要再用過問物體原來帶的電荷是多少。帶電物體的電容由下式求得:
(7)
上式中,電容C的單位為法拉,ε為介電常數(shù)(在真空中為1),S為帶電物體與參照物體之間電力線互相照射的面積(與電場垂直,單位米2),在國際單位制中k = 9×109牛頓•米2/庫侖2,d為帶電物體到參照物的有效距離(單位米)。
實際上電場干擾,或電場感應(yīng),都是通過電容的工作原理進行的,電場對電子設(shè)備中其它電路的干擾,不但與電場強度有關(guān),還與被干擾電路參考點的位置有關(guān),以及帶電物體的電容量有關(guān)。如果要精確計算某帶電體對其它物體產(chǎn)生的電感應(yīng),就必須熟練地應(yīng)用(6)式和(7)式來計算各個物體之間的電容。同一個帶電體相對不同的其它物體,因為相對位置以及電場強度不同,其電容量也不同。知道了電容容量就可以計算電容的充放電過程,從而可以求出電壓、電流、功率等各種參數(shù)。



圖4是帶電物體對其它物體產(chǎn)生感應(yīng)的原理圖。圖4中,A是帶電物體,其電位為U0,E表示電場強度或電場力線,Q0為其帶電量;帶電物體A對物體B和物體C均會產(chǎn)生電場感應(yīng),U1和U2分別為物體B和物體C被物體A感應(yīng)產(chǎn)生的對地電位;Q1和Q2分別為物體B和物體C被物體A感應(yīng)產(chǎn)生的電荷量。帶電物體A的電荷Q0越多,其電位U0就越高,并且其對物體B或物體C產(chǎn)生感應(yīng)影響的力度就越大。
因此,我們可以用電容來定義電荷與感應(yīng)電壓的關(guān)系,即:用電容表示單位電壓感應(yīng)產(chǎn)生的電量:
(8)
上式中,電容C的單位為法拉,電荷Q的單位為庫侖,電壓V的單位為伏特。
設(shè):物體B和物體C沒受帶電物體A感應(yīng)之前,所帶電荷以及對地電位均為零,則:電荷Q1和Q2,電壓U1和U2都是由于帶電物體A對物體B和物體C感應(yīng)產(chǎn)生的電荷和電壓;U0越高,感應(yīng)產(chǎn)生的U1和U2對地電位就越高,以及電荷Q1和Q2就越多,由此可求得:



上式中,V1 = U0 – U1 ,V2 = U0 – U2 ,C1和C2分別表示帶電物體A對物體B和物體C產(chǎn)生電場感應(yīng)互相影響的力度,電容容量越大,表示兩者產(chǎn)生電場感應(yīng)互相影響力度就越大。因此,這里我們還可以把(8)、(9)、(10)式中的電容C定義為電荷感應(yīng)系數(shù),與磁感應(yīng)中的互感系數(shù)(或磁感應(yīng)系數(shù))M相互對應(yīng)。由此可知,電容C不但可以表示一個帶電物體存儲電荷的多少,而且可以表示帶電物體對其它物體產(chǎn)生影響的力度。

在電子設(shè)備中,由于MOS電路的阻抗很大,而其電容非常小,因此,只要帶電體產(chǎn)生很小能量的電荷轉(zhuǎn)移,或靜電感應(yīng),就能把MOS電路擊穿。因此,在生產(chǎn)或調(diào)試含MOS電路的電子設(shè)備的時候,要注意靜電感應(yīng)和工作人員的身體不能帶電。在沒有采取任何措施的情況下,人體一般都帶有幾十伏甚至數(shù)百伏的靜電電壓,當(dāng)人手觸及還沒有接入電路中的IC時,很容易會把IC擊穿。對還沒有使用的IC保存或者包裝也要注意靜電感應(yīng),最好把IC保存在金屬盒或具有防止靜電感應(yīng)的塑料盒內(nèi)。防靜電感應(yīng)塑料一般都是在塑料中混入導(dǎo)電物質(zhì)。

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