Beschädigt Strom (und Verlustleistung) Dinge, nicht Spannung?

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Bei höheren Spannungen (mehr als ca. 5 V) können Mikrocontroller beschädigt werden. Liegt das daran, dass die Spannung sie tatsächlich physisch beschädigt oder dass übermäßiger Strom fließt? - und erhöht damit die Verlustleistung über sichere Grenzen hinaus. Wie gilt dies für andere Geräte?

components damage

— Thomas O.
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Dies könnte eines oder alle der oben genannten sein, was nicht nur von der Vorrichtung abhängt, sondern auch davon, an welche Pins der Vorrichtungen die Spannung angelegt wird.

— Mark

Es ist fast immer Energie, die Dinge beschädigt, indem sie genug Strom überspannt, damit Energie auf beschädigte Dinge übertragen werden kann.

— Kortuk

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Ich möchte die Antwort auf diese Frage wissen. Eine andere Möglichkeit, es neu zu formulieren, wäre: "Angenommen, ich habe eine 20-V-Stromversorgung, aber an einem Ende befindet sich ein 100-kOhm-Widerstand, sodass nicht viel Strom geliefert werden kann. Ist es möglich, eine Mikrocontroller-Platine mit dieser Stromversorgung zu beschädigen?

— DavidEGrayson

@davidEGrayson, es ist nicht einfach, das allgemein zu definieren.

— Kortuk

@ David - Erwägen Sie, dies als separate Frage zu stellen, wenn Sie die Antwort darauf wissen möchten. Wenn Sie dies tun, fügen Sie weitere Details hinzu.

— Kevin Vermeer

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Dies liegt hauptsächlich daran, dass die Isolierschichten im Gerät nur einer bestimmten Spannung standhalten können. Die Isolierung bricht bei zu hoher Spannung zusammen und verursacht interne Kurzschlüsse.

— Leon Heller
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Wie beschädigen interne Kurzschlüsse einen Mikrocontroller dauerhaft? Was genau ändert sich am Silizium und was bewirkt, dass es sich ändert?

— DavidEGrayson

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Die Kurzschlüsse lassen große Ströme fließen, was, da nichts ein perfekter Leiter ist, einen Temperaturanstieg verursacht, der schließlich Dinge zum Schmelzen bringt.

— Endolith

Die dünnste Isolierschicht (und damit die anfälligste für einen Spannungsausfall) ist das Gateoxid in einem Feldeffekttransistor. Ich bin nicht sicher, was der Fehlermodus ist, wenn das Gateoxid durchstoßen wird (offen oder kurz), aber der Transistor funktioniert nicht wie beabsichtigt. Dieser Fehler würde nicht thermisch induziert, da der Gate-Strom (und damit die Verlustleistung) vernachlässigbar sein sollte. Wie Endolith erwähnt, ermöglicht jeder Kurzschluss einen unkontrollierten Stromfluss, und offene Stromkreise oder nicht aktivierte Transistoren können interne Schaltkreise schweben lassen oder in Zustände gelangen, die selbstzerstörerisch sein können.

— W5VO

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P, I, V sind bekannt, aber selten achten Designer und Benutzer auf dV / dt.

In der Leistungselektronik wird der Schaden durch dV / dt verursacht, beispielsweise etwa 5000 V / Mikrosekunde. Bei dieser Geschwindigkeit öffnen sich die mehreren Halbleiterschichten (die sehr oft irgendwo einen parasitären Thyristor haben) weit und verursachen eine Lawine destruktiver Ereignisse.

So ist es möglich, ein 1000V 200A-Gerät durch eine kurzzeitige Kombination von viel weniger Strom und Spannung zu beschädigen, da die Energie in Teilen / Orten der Struktur abgeführt wird, die sich von den normalerweise erwarteten unterscheiden.

Wie beschädigt dV / dt das Gerät? Angenommen, Sie haben ein paar Mikroampere, würde es trotzdem beschädigt sein, obwohl der Strom sehr niedrig ist?

— Thomas O

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Schaden ist immer thermisch. Seine Spitzenleistung von mehreren Watt oder Kilowatt, die das Teil irreversibel ruiniert. Die Ursache für das Aufbringen einer solchen Kraft (z. B. bei einer Brücke mit versehentlich kurzgeschlossener hoher Seite) ist jedoch eine unerwartete Öffnung der Seite, die geschlossen werden soll. Das Öffnen kann mit Hilfe eines Mikroampere-Stroms erfolgen, wenn er dv / dt überschreitet. Es macht sicher keinen Schaden für die ersten Nanosekunden, weil seine Mikroampere, aber nachdem sich der parasitäre Thyristor (oder der parasitäre inverse BJT) weit geöffnet hat, wird der Lawinenstrom in Ampere gezählt

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In Sperrrichtung vorgespannte PN-Übergänge können nur so viel Spannung aufnehmen, bevor sie zu leiten beginnen. Manchmal sind sie dafür ausgelegt, wie Zenerdioden, aber häufiger nicht. Wenn mehrere Transistoren in eine integrierte Schaltung eingebaut werden, können in Sperrrichtung vorgespannte Übergänge verwendet werden, um sie zu isolieren. Wenn Sie einen dieser normalerweise in Sperrrichtung vorgespannten Übergänge leiten lassen, beispielsweise durch Überschreiten der möglichen Sperrspannung, können alle Arten von unbeabsichtigten Leitungspfaden geöffnet und der IC gekocht werden.

— JustJeff
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Die häufigste Form der elektrischen Beschädigung von Gegenständen ist die Überhitzung, die durch die vollständige Verlustleistung verursacht wird. In vielen Fällen kann man sicher kommen, indem man entweder die Spannung auf einen sehr niedrigen Pegel begrenzt und sich nicht um den Strom kümmert, oder den Strom auf einen sehr niedrigen Pegel begrenzt und sich nicht um die Spannung kümmert. Es gibt jedoch einige Ausnahmen:

Es ist möglich, dass eine übermäßige Spannung einen plötzlichen Stromfluss verursacht oder dass ein übermäßiger Strom einen plötzlichen Spannungsabfall verursacht, und diese Ströme oder Spannungsabfälle können ausreichend lokalisiert sein, dass bei sehr geringer Gesamtverlustleistung Schäden auftreten können. In einigen Fällen, insbesondere bei Überspannung, kann die lokalisierte Kapazität möglicherweise genug Energie enthalten, um das Gerät zu beschädigen, selbst wenn der Strom extern begrenzt ist.
Wie andere angemerkt haben, kann eine übermäßige Spannung oder ein übermäßiger Strom, der an einen Pin eines Geräts mit Stromversorgung angelegt wird, dazu führen, dass das Gerät in einen Modus (z. B. Latch-Up) wechselt, der viel Versorgungsleistung in Wärme umwandelt. Selbst wenn die Stromversorgung des Überspannungs- oder Überstromstifts begrenzt ist, kann die Versorgung genügend Strom liefern, um das Gerät vollständig zu zerstören.
Überspannungs- und Überstrombedingungen können physikalische oder chemische Änderungen an einem Gerät ausreichend beschleunigen, damit es vorzeitig ausfällt oder außerhalb der Spezifikation liegt. Bei einem Elektrolytkondensator, der beispielsweise über seine Nennspannung hinaus aufgeladen wird, kann sein Dielektrikum dadurch allmählich dicker werden, wodurch seine Kapazität verringert wird. Beachten Sie, dass solche Effekte Schäden verursachen können, selbst wenn die Verlustleistung gering ist und die Kühlung ausreicht, um eine Überhitzung zu vermeiden.

— Superkatze
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Die Antwort ist, es hängt vom Gerät ab und davon, wie die Spannung / der Strom angelegt wird.

Wenn Sie zu viel Spannung an ein CMOS-Transistor-Gate anlegen, wird es beschädigt. Vielleicht genug, dass die Schaltung nicht funktioniert, oder vielleicht auch nicht. Es ist ein klassisches Problem mit analogen ICs, sie werden gezappt und dann laut. Das Gleiche kann mit bipolaren Transistoren passieren.

Ein klassischer Fehler in CMOS-ICs ist ein Latch-up, bei dem eine Stromspitze auf parasitären SCRs kippt, die CMOS-Transistoren zugeordnet sind. Dann fließt Strom von VCC nach Masse, wodurch das Gerät möglicherweise überhitzt wird. Und auch hohe Ströme braten die Schutzdioden an den Eingängen, wodurch sie lecken.

Und wie der Mann sagte, neigt dV / dt dazu, Stromversorgungsgeräte zu töten. Oft, weil sie sich in bestimmten Bereichen teilweise einschalten, dann überhitzen und durchschlagen. Aus diesem Grund führt das Rollen Ihrer eigenen Motorsteuerung normalerweise zu starkem Rauch.

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Ich weiß, dass dies eine grobe Vereinfachung ist, aber so habe ich es immer gesehen; Überspannung bricht die Isolationsschicht zwischen Leitern ab und beschädigt Geräte, Überstrom beschädigt die Leiter selbst hauptsächlich durch Überhitzung.

— Jim C.
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