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. Примерно такими, как на КДПВ (если кто не понял, это обычные часы в экстравагантном оформлении).
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 (10 4 -10 6 А/мм 2 ) 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).
Кстати, такие взрывы могут представлять серьезную опасность, особенно когда идет речь о старых советских конденсаторах крупных размеров без предохранительного клапана и насечек на корпусе. Вынесу из комментариев описание инцидента:
в ходе опытов было устанослено, что 10000мКф, 25В(?) конденсатор с цельным корпусом способен с 7 метров оставить вмятину в алюминивом профиле глубиной в 5мм. (@OvO)
(цитату не редактировал, чтобы сохранить атмосферу после взрыва и трясущиеся руки).
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.
Конденсаторы SMD — керамическое зло, бомба замедленного действия
Керамические SMD конденсаторы часто сгорают, при этом устройство полностью выходит из строя. У видеокарты образуются прогары в текстолите, межслойное замыкание, зачастую ремонту устройство не подлежит. А стоят сейчас видеокарты ой как дорого.
реклама
А ведь так хорошо начинался день, солнечное утро, я с чашечкой ароматного кофе поедаю яишенку, ничто не предвещает беды.
Возвращаюсь с кухни в благостном настроении, и тут вам здрасте — монитор показывает черный экран, а в воздухе витает такой знакомый запах электронной гари. Включать системник уже не стал, ибо блок питания ушел в защиту, не будем усугублять ситуацию. Разбираю компутатор, вынимаю свою боевую подругу — видеокарту GTX 1080 от Gigabyte. А там оно самое, в очередной раз бахнула маленькая и подлая «петарда».
С нехорошим предчувствием достаю мультиметр. Снимаю дроссель с нагрузки. Так и есть, на памяти «коза», на кп видеочипа тоже короткое замыкание. Фаза питания вся в копоти, текстолит в труху, а сам виновник торжества разлетелся на маленькие осколки. Экономная компания Гигабайт естественно не поставила дешевый плавкий предохранитель. В итоге имеем неисправную память, мертвый GPU, обугленную фазу питания и дырку в плате. Из-за двух копеечных деталек дорогостоящая видеокарта оправляется в утиль. И ладно бы красотка погибла в бою, добывая цифровую валюту, так нет же: позорно скопытилась, показывая рабочий стол.
Вот так они и бахают, невзначай.
реклама
Это и было той последней каплей, побудившей написать меня эту статью. Проблема с SMD конденсаторами есть, существует давно и она не решается. Уже не первая видеокарта сгорает у меня подобным образом, бывали и матплаты. Причем бахнуть может как в нагрузке, так и в полном простое, при этом отработав без проблем пару лет. Сообразительный читатель заметит, ну отнесешь же устройство по гарантии, вернешь свои кровные. Но как бы не так — «электротермические повреждения» ставят жирный крест на этих планах, во всем виноват пользователь, и гарантия пролетает как фанера над Парижем. Очень удобно для производителя, запланированное устаревание, кто знаком с этой теорией заговора?
На любой плате — море их
реклама
Справедливости ради, нужно отметить, что и старшие братья smd конденсаторов (конденсаторы электролитические) тоже подвержены проблемам. И эти проблемы, в отличие от SMD, видны невооруженным глазом. То их вздует, то наоборот попустит и вогнет днище, а бывает и зальют все в округе своим электролитом. Электролит, кстати, очень хорошо разъедает на плате контакты и дорожки. А если на кондер внезапно придет повышенное напряжение, он может стартануть с платы, что твоя ракета, снося все на своем пути. Результат один — происходит потеря емкости, возрастает ESR, а устройство полностью не работает либо жутко глючит. Но они хоть не уходят в короткое замыкание, по крайней мере у меня таких случаев не было, и девайс после замены конденсаторов продолжает свою жизнь.
Типичные проблемы электролитов — анорексия, беременность, критические дни
К счастью на современных видеокартах и матплатах уже практически не используют классические электролитические конденсаторы. Их заменили конденсаторы с полимерным электролитом, что значительно добавило надежности, выходят из строя они крайне редко. А вот в блоках питания никуда не денешься, приходится использовать злектролитическую классику. Там нужны большие емкости в фильтрации шин напряжений, на входе в блоке APFS опять же, полимеры такого выдать не могут. Так что и бп в зоне риска, даже самых именитых производителей.
реклама
Конденсаторы с полимерным электролитом
Еще была такая гадость, как конденсаторы Proadlizer, разработанные компанией NEC по инновационной технологии. Славились они возможностью эффективной работы на высоких частотах, а также отказом в 99% случаев через год — два работы. Их любили ставить по питанию процессора ноутбука, а так же в видеокарты и консоли прежних лет. Девайс начинал рандомно зависать и перезагружаться, демонстрируя признаки плавающей неисправности. Лечилось это безобразие заменой NEC на танталы. А вот танталовые конденсаторы весьма надежны, работают десятки лет без потери емкости и ESR, стойки к высоким температурам. Их вы обязательно увидите на современных видеокартах и матплатах.
Те самые NEC Proadlizer с сюрпризами
Но вернемся к нашим маленьким друзьям, керамическим SMD конденсаторам. Так как они не могут иметь большую емкость, по причине своих скромных размеров, производитель вынужден их ставить на устройство в огромном количестве. Чтобы они суммарно набирали емкость при параллельном подключении. Стоят они в основном в различных цепях питания, в качестве фильтрующих элементов, для подавления бросков напряжения и пульсаций. А паразитных пульсаций на тех же видеокартах с избытком, от работы импульсных преобразователей напряжения. Чем больше smd конденсаторов на плате, тем выше вероятность того, что один из них пустит в прекрасный момент «фазу на ноль». При коротком замыкании в smd конденсаторе, фазы питания мгновенно уходят в перегрузку, защита по току не успевает сработать. Мосфеты фаз разогреваются до критических температур, в свою очередь уже их пробивает в короткое и 12 вольт как есть (вместо 1в — 1,2в) поступают прямиком в видеочип или процессор. Естественно чипу хана от такого перфоманса.
До хрустящей корочки
Далее, если блок питания все еще не ушел в защиту, начинает прогорать текстолит, происходит межслойное замыкание. Если блок питания достаточно мощный, или у него неисправен супервизор по защите, видеокарта может гореть достаточно долго. Пока ее не приедут тушить пожарные, вместе с квартирой. Банальные плавкие предохранители в большинстве видях и матерей производитель не ставит. Может экономит копейки, а может так и было задумано. А ведь они могли бы купировать проблему в зародыше и не доводить дело до фатальных последствий.
Все такое маленькое и ненадежное
Как избежать данных проблем рядовому пользователю? Да к сожалению никак, рассматривать перед каждым включением свою карту в микроскоп не представляется возможным. Да и не всегда визуально видно, что кондер на подходе. Проблема, как мне видится, в самом устройстве smd элемента. Слишком маленькие расстояния между электродами, слишком тонкий слой диэлектрика. Перепады температуры, механическое повреждение, недостаточное качество изготовления — все это может в любой момент вызвать пробой элемента. Тут только или менять технологию производства или вводить жесточайший контроль качества. А пока мы так и будем гореть синим пламенем, с отказами по гарантии.
Подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен или telegram-канал @overclockers_news — это удобные способы следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.
Почему взрываются конденсаторы
Частый вопрос — почему взрываются электролитические конденсаторы на материнской плате, видеокарте, блоке питания? Какие причины взрывов и пути решения проблемы, чтобы это не повторялось. Этому посвящена статья.
Теория
Очень часто при ремонте компьютеров и компьютерной техники — в блоках питания, материнской плате компьютера, видеокарте, мониторах, принтерах и других устройствах — можно обнаружить испорченные вздутые конденсаторы, в которых вытек электролит, а их корпус разрушен.
Конденсаторы — это рулоны (или стопки) фольги, разделенные диэлектриком. В электролитических конденсаторах одним электродом (анодом) является фольга, а другим (катодом)- электролит. В качестве диэлектрика выступает тонкая оксидная пленка, нанесенная на анод. Чтобы разобраться с причиной, по которой конденсаторы выходят из строя, составим примерную эквивалентную схему конденсатора.
Таким образом, у конденсатора есть и активное сопротивление r (эквивалентное последовательное сопротивление или по-научному ESR), и сопротивление утечки R, и индуктивность L из-за свернутого спиралью сэндвича. Условность схемы в том, что на самом деле схема представляет собой «длинную линию», расчет которой чрезвычайно сложен.
Почему возникает взрыв конденсатора
Дело в том, что эти конденсаторы стоят в цепи импульсной схемы питания и служат для сглаживания пульсаций частотой в десятки килогерц. В принципе, уже из-за пульсаций через конденсаторы течет переменный ток, который немного нагревает внутреннее сопротивление. На малой частоте этот нагрев мал и конденсатор холодный. Закипание возникает тогда, когда выделяемая мощность больше мощности рассеивания. Так почему же происходит нагрев из-за которого электролит закипает и происходит взрыв и какую роль в нагревании играет индуктивность?
В импульсных схемах, если посмотреть осциллографом, то можно увидеть, что в момент переключения транзисторов возникает затухающий колебательный процесс, причем амплитуда перерегулирования очень значительная, а частота колебательного процесса высокая. Высокочастотная составляющая хорошо пропускается емкостью, она же и является основной причиной нагрева конденсатора. Причем же здесь индуктивность? А индуктивность и является причиной колебаний, т.к. она является частью колебательного контура LC. Поэтому, чем больше паразитная индуктивность конденсатора, тем больше энергия высокочастотной колебательной составляющей выделяется внутри конденсатора. Во избежание взрыва на корпусе конденсатора наносятся насечки, позволяющие выпустить пар кипящего электролита.
Как выбирать конденсаторы для замены
Что же делать? Чем заменить неисправный?
1. Нужно брать качественные изделия с малым ESR и индуктивностью. Они дороже, но греются меньше и взрываются значительно реже. К тому же, есть понятие «реактивная мощность конденсатора» — мощность, которую конденсатор способен выдержать, пропустив через себя, и которая зависит тангенса потерь диэлектрика и размеров конденсатора. Т.е., чем больше размер конденсатора, тем больше рассеивание и выше реактивная мощность.
2. Можно параллельно электролитическим конденсаторам поставить керамические небольшой емкости.
3. Если выбросы напряжения заходят в отрицательную область, то поможет обратный диод, который не даст обратному току «спалить» полярный конденсатор при приложении обратного напряжения.
Срок жизни электролитических конденсаторов ограничен из-за химических изменений в диэлектрике и зависит от того, как близко выбрано рабочее напряжение к максимальному. Другими словами, чем выше мы выберем максимальное напряжение конденсатора, тем дольше он будет служить.
Перепайка конденсаторов на материнской плате в нашем компьютерном центре обычно стоит 1000 руб вместе с работой по разборке и сборке компьютера.
Правда о конденсаторах
Однако самой правдоподобной версией массового выхода из строя электролитических конденсаторов является другая — технологическая. В пользу этой версии говорит тот факт, что взрываются в основном конденсаторы, произведенные конкретными китайскими фирмами.
История вопроса. Некоторые китайские фирмы не захотели покупать патенты на производство электролитических конденсаторов и разработали свою технологию, в частности, формулу электролита. Однако, формула оказалась нестабильной. Через несколько лет их электролит под воздействием рабочих факторов (одни из важнейших — повышенная рабочая температура и напряжение) изменяет свои электрические параметры, в частности, сопротивление. В результате через несколько лет конденсаторы вспучивались из-за вскипания электролита.
Поэтому самое главное при замене конденсаторов — это заменять их на качественные конденсаторы, произведенные надежной фирмой.
Источник https://habr.com/ru/post/532172/
Источник https://overclockers.ru/blog/DenebCore/show/58292/kondensatory-smd-keramicheskoe-zlo-bomba-zamedlennogo-dejstviya
Источник https://www.complace.ru/pochemu-vzryvayutsya-kondensatory/