Это просто бомба или почему взрываются электронные устройства
Когда я был школьником, мама порой с ужасом смотрела на мои запасы радиохлама, служившего источником радиодеталей. Ужас этот оформлялся в вопрос:, а у тебя там точно ничего не взорвется? И надо сказать, вопрос был не беспочвенный: в наших золотоносных краях, богатых не только драгоценным металлом, но и разнообразной взрывчаткой, неоднократно были случаи, когда дети притаскивали домой электродетонаторы и прочие опасные вещи. Но я хорошо знал не только как выглядит детонатор, но и как с ним обращаться, и мне бы в голову не пришло хранить его дома. Так что мои сокровища были безобидными. Как картинка на КДПВ — на ней просто часы.
Впрочем, не всегда так. Иногда электроника взрывается. И об этом моя статья.
Есть такое явление — электровзрыв
Если пропустить через тонкую проволочку достаточно большой ток, она раскалится и перегорит. Характер этого явления сильно зависит от силы тока: если при невысоких ее значениях она просто перегорит, и процесс этот будет длиться секунды или десятые доли секунды, то при больших плотностях тока (104–106 А/мм2) выделившееся тепло за считанные доли микросекунды или единицы микросекунд превратит проволочку в пар. Причем пар чудовищно сильно сжатый (с плотностью, как у твердой меди!) и находящийся под крайне большим давлением. Температура его тоже немалая. Тут же он начинает расширяться со сверхзвуковой скоростью, порождая ударную волну, в энергию которой переходит около четверти всей подведенной к проволочке энергии. Другой вариант электровзрыва реализуется при пробое жидкого или твердого диэлектрика, который превращается в пар в канале разряда.
Электровзрыв — явление интересное и имеющее множество полезных применений: с его помощью генерируют ударные волны и создают сверхвысокие давления и температуры, получают наночастицы и напыляют тонкие пленки, проводят химические реакции, требующие экстремальных условий. Электровзрыв применяют для атомизации проб в эмиссионном спектральном анализе, с его помощью генерируют сейсмические волны для зондирования морского дна и даже дробят горные породы. В электронике же электровзрыв — явление безусловно вредное. Развивается он, разумеется, при аварийной ситуации, и впоследствии может очень сильно осложнить ремонт. Речь тут уже идет не только о выгоревших проводниках, но и о той меди, которая осела на все вокруг в виде проводящей пленки. Об ударных волнах, которые способны, например, оторвать разварочную проволоку от кристалла микросхемы, находящейся в другом конце платы и на первый взгляд никак не пострадавшей. Наконец, давлением взрыва может вырвать из платы крупногабаритные детали или даже деформировать плату и разорвать корпус. И самое неприятное последствие — это то, что ионизированные пары меди создают условия для перебрасывания дуги, образовавшейся после взрыва, на низковольтные цепи — тут уже возникает и опасность поражения током, и вероятность пожара, и материальный ущерб из-за внезапного подключения последнего iPhone прямо к сети 220 В. Типичное место возникновения такой аварии — импульсные блоки питания с сетевой стороны. При замыкании входного выпрямителя к току КЗ сети добавляется ток разряда фильтрующего конденсатора и общий ток в импульсе легко может достигнуть тысяч и десятков тысяч ампер! Такой ток с легкостью испаряет не только печатные проводники, но и выводы радиодеталей.
Профилактикой от таких ужасов является ограничение тока короткого замыкания. Обычно на входе импульсных блоков питания ставят предохранитель и терморезистор (NTC). К сожалению, последний выполняет в основном функцию ограничения зарядного тока при включении, но и его остаточное сопротивление — порядка десятых долей ома — может снизить ток КЗ в несколько раз. У блоков питания невысокой мощности (до 10–15 Вт) имеет смысл установить резистор сопротивлением в несколько ом уже после выпрямителя — на нем будет рассеиваться несколько сот милливатт мощности, зато при любой аварии ток не превысит десятков ампер. Хорошей практикой является использование в таких цепях разрывных резисторов, выполняющих одновременно роль предохранителя. Также не следует пренебрегать мерами против переброса дуги в виде перегородок между высоковольтной и низковольтной частями схемы.
В низковольтных цепях, даже сильноточных (а в современной компьютерной технике такие не редкость) электровзрыв обычно развивается только внутри корпусов транзисторов и микросхем, порой взрывая их изнутри, но не производя дополнительных разрушений.
Бабах из конденсатора
Вам знакома забава советских детей — «электролит» покрупнее в розетку и бежать? Иногда так случается и в аппаратуре, когда конденсатор выходит из строя по той или иной причине. Результат часто бывает печален — по всему корпусу разбросаны обрывки фольги, замкнувшей все и вся, так что ремонтировать просто нечего — все напрочь сгорело. Природа взрыва проста и незатейлива: закипевший электролит своим давлением пара разрывает герметичный корпус и выбрасывает свое содержимое. Так «взлететь» может не только оксидный конденсатор — бумажные и пленочные на это также способны при наличии сколько-нибудь прочного корпуса. Аналогично взрываются и аккумуляторы при неправильной зарядке (с литий-ионными «немножко» другая физика и химия, об этом ниже).
Как бороться? Ставьте конденсаторы хороших фирм и с запасом, не забывая учитывать и реактивную мощность. Между более дешевым конденсатором без предохранительного клапана и более дорогим с клапаном выбирайте последний, особенно если конденсатор крупный.
Обычно все взрывы в электронике ограничиваются ровно той энергией, которую туда подвели непосредственно перед взрывом извне. Но иногда источник энергии находится внутри.
Настоящая взрывчатка inside
Так тоже бывает.
Знаете, как устроен танталовый конденсатор? Микроскопически — точно так же, как обычный электролитический: на поверхности тантала имеется оксидная пленка, служащая изолятором. Только вместо электролита (он же вторая обкладка) — диоксид марганца, смешанный для лучшей электропроводности с сажей. Основное отличие состоит в том, что вместо рулончика фольги здесь — кирпичик из спрессованного порошка тантала, поры которого заполнены двуокисью марганца. Вам это ничего не напоминает? Это же термит! Смесь порошка более активного металла и оксида менее активного, в которой после поджигания идет бурная реакция, сопровождающаяся выделением большого количества тепла, разбрасыванием искр и образованием продукта в виде расплавленного металла.
Отсюда не удивительно, что танталовый конденсатор, пробиваясь, отправляется в царство Ямараджа не тихо-спокойно, а с фейерверком. Причем произойти это может даже в слаботочных цепях, от которых вовсе не ожидаешь пиротехнических эффектов при включении — накопленной конденсатором энергии достаточно, чтобы разогреть точку пробоя до начала реакции. Фейерверк этот может продолжаться несколько секунд, независимо от подачи тока, и может прожечь плату насквозь, до дыры. Данному эффекту не подвержены полимерные танталовые конденсаторы, в которых отсутствует двуокись марганца.
Я выше упомянул литий-ионные аккумуляторы, мол, там немного по другому. Так вот, с ними та же история. Если из заряженного литий-ионного аккумулятора убрать сепаратор, то это та же самая взрывчатая смесь. Ведь катод здесь, после зарядки — это почти что двуокись кобальта, сильный окислитель. А анод — мало того, что горючий графит, так еще и набитый еще более горючим литием под завязку. И все это — в тесном соседстве и плотном соприкосновении. Стоит лишь образоваться маленькой дырочке в сепараторе — от механического повреждения, перегрева, заводского дефекта или дендрита металлического лития, образовавшегося из-за неправильной зарядки — как разогрев током короткого замыкания эту смесь тут же подожжет.
Как бороться? Культурно обращаться с атомной энергией, как сказала Фаина Раневская. Литий-ионные аккумуляторы требуют тщательного соблюдения всех надлежащих мер безопасности, описание которых тянет как минимум на следующую статью. А с танталовыми конденсаторами — в общем-то все то же, что с обычными, только пробиться со взрывом они могут и от микросекундных иголок. Ну и проверять все (особенно полярность!) перед первым включением и не наклоняться над платой в этот момент.
А иногда бывает…
Так задумано
Электродетонаторы, электровоспламенители и пиропатроны — это, в сущности, тоже электронные компоненты. Взрываться — их функция. Главное, чтобы они взрывались только по команде. А значит, нужно тщательно продумывать схему включения таким образом, чтобы случайное инициирование исключалось, в том числе при любых мыслимых неисправностях. Сфера эта специфическая, многое тут покрыто секретностью, а то, что несекретно, обсуждать на открытой площадке тоже не стоит по понятным причинам.
В свое время ходили байки про пиропатроны, встроенные в японские магнитофоны, призванные взорвать аппарат при попытке заглянуть внутрь. В реальности, конечно, было как в песне у Иващенко с Васильевым:
… А потом они решили
посмотреть, что там внутри:
нежно крышку приоткрыли --
динамиту не нашли.
Так что в гражданской сфере основное применение компонентов такого рода — это автомобильные подушки безопасности.
А вам желаю никогда не подрываться на собственных конструкциях. И не пренебрегать защитными очками.
