Statische lading - ESD (Electrostatic Discharge)

Statische lading is iets waar elektronische componenten het niet zo op begrepen hebben. Alle reden dus om er behoedzaam en respectvol mee om te gaan.

We laden ons allemaal statisch op. Als we de kat strelen of over een kunststoffen vloerbedekking lopen bijvoorbeeld. Dat opladen gaat geleidelijk. Je merkt er niets van. Pas op het moment dat je de deurklink of een andere persoon aanraakt die tot een andere spanning is opgeladen, springt er letterlijk een vonkje over. Hierdoor verandert de lading snel met een pijnlijk schokje als gevolg. We spreken van elektrostatische ontlading of ESD (Elektro Static Discharge). Wat we dan voelen is niet het potentiaalverschil maar het ontlaadstroompje dat er gaat lopen. Hoe groter deze stroom, hoe pijnlijker het is. Je kan de ontlaadstroom klein houden door een weerstandje van 10 k of 100 k in de hand te nemen en met de andere kant van het weerstandje eerst contact te maken. Door dit trucje voel je gegarandeerd niets, terwijl het spanningsverschil toch vereffend wordt. Het duurt alleen wat langer.

Elektronische componenten zijn nog gevoeliger voor statische ontlading dan wij mensen. De meeste zijn zo teer dat ze onherstelbaar beschadigd kunnen raken tijdens het vereffenen van spanningsverschillen.

We weten dat het niet uitmaakt of er 1000 V of meer op een component staat, zolang die spanning ook maar op de omgeving van die component staat en er dus geen spanningsverschil is. Zijn er wel spanningsverschillen, dan kan binnenin de component isolatie beschadigd worden (doorslag optreden) of er gaat een stroom lopen die de ladingsverschillen vereffent. En die stroom kan de component ook stuk maken.

Dit wetende kunnen we nu veilig omgaan met elektronische componenten door voordat we een elektronische component vastpakken ervoor te zorgen dat er tussen onszelf en de component geen spanningsverschil is. Een bekend voorbeeld is het zakje van geleidende kunststof aanraken dat waarin de RAM-modules zitten voor de computer waardoor de potentiaal van de mens en die van het zakje gelijk worden. Ook elektronica-componenten zitten in zakjes van geleidende kunststof. Nog een voorbeeld: de computerkast aanraken met de andere hand alvorens de RAM-modules erin te steken. Zorg er wel voor dat je geen stuk van de kast aanraakt die van plastic is of geverfd is, want dan werkt het natuurlijk niet. Raak een geleidend stuk aan ook al is het maar een klein vijsje.

esd statische lading ontlading ESD electrostatic discharge

Wat kan een IC nu zo verdragen? De fabrikanten hebben gemerkt dat mensen slordig zijn. Ondanks de waarschuwingen worden veel IC's toch beschadigd, omdat ze in de praktijk gewoon worden vastgepakt zonder speciale maatregelen. Daarom hebben ze de IC's voorzien van beveiligen die een "gemiddelde" statische ontlading van een menselijk lichaam kunnen doorstaan. Sommige IC's kunnen bijvoorbeeld spanningen tot 2000 V verdragen! Het menselijk lichaam heeft een capaciteit van ongeveer 100 tot 150 pF ten opzichte van de omgeving. Deze capaciteit ontlaadt zich bij aanraking via het IC. Zou een olifant (die een groter lichaam heeft en dus ook meer lading in zijn lijf heeft) het IC vastpakken, dan gaat het IC kapot. Ook wanneer je boven de 2000 V bent opgeladen, zal het IC een aanraking niet overleven.

Metaaloxide halfgeleiders (MOS = Metal Oxide Semiconductors) zijn heel gevoelig voor schade door ESD. Een MOSFET kan al door zo'n 35 V beschadigd worden. Discrete bipolaire transistors en dioden zijn minder gevoelig, maar kunnen toch ook niet meer dan 3000 V verdragen.

esd statische lading ontlading verkoop verhuur klank licht audiovisueel

In de onderstaande tabel zie je de invloed van de relatieve luchtvochtigheid op de statische spanning:

	28 % luchtvochtigheid	80 % luchtvochtigheid
Lopen over een nylon tapijt	35000 V	1500 V
Uittrekken van een trui	25000 V	1900 V
Lopen over een vinyl vloer	12000 V	250 V
Werken op een kunststof tafel	6000 V	100 V

Je ziet dat de mens zich tot een behoorlijke potentiaal kan opladen!

Voorbeeld: het hanteren van MOSFET's:

Wat MOSFET's precies zijn, kom je te weten in het hoofdstuk over versterkers. De gate van een MOSFET wordt geïsoleerd door een laagje glas. Als direct resultaat bezit de gate een zeer hoge weerstand, terwijl er geen resistieve of halfgeleiderovergang voorhanden is om statische elektriciteit af te voeren wanneer die zich opbouwt. Stel dat je een MOSFET of een MOSFET-IC in uw handen hebt en je loopt ermee naar de schakeling, prikt de component in zijn voetje en schakelt de voedingsspanning in om vervolgens tot de ontdekking te komen dat de betreffende component zo dood is als een pier! Vermoord door uzelf! De oplossing is om met je andere hand eerst de printplaat vast te nemen alvorens de component te plaatsen. Daarmee zou je uw statische spanning zijn kwijtgeraakt.

Hoewel elke halfgeleider om zeep kan worden geholpen door een uit de kluiten gewassen vonk, zijn MOS-componenten daar gevoeliger voor omdat de energie die is opgeslagen in de gate-kanaal-capaciteit zodra de spanning is opgelopen tot de doorslagspanning, groot genoeg is om letterlijk een gat te blazen in de dunne oxide-isolatielaag van de gate.

Besluit: Elektrostatische ontlading is bij mensen niet schadelijk voor de gezondheid maar wel lastig. Het schrikeffect kan ervoor zorgen dat je bijvoorbeeld uitschiet met je schroevendraaier of wat laat vallen en dat je daardoor iets beschadigd. ESD kan wel schadelijk zijn voor de gezondheid van elektronische componenten wat we hiervoor uiteengezet hebben!