Publicado por: revistainternacionaldoconhecimento | 30/09/2010

ENGENHARIA – Ação de Campos Elétricos e Térmicos Espúrios Impactantes na manutenção da Vida Operacional de Produto Eletro/Eletrônico, VOPE ou Condição crítica especifica em operação de dispositivos eletro/Eletrônicos.

Ação de Campos Elétricos e Térmicos Espúrios Impactantes na manutenção da Vida Operacional de Produto Eletro/Eletrônico, VOPE ou Condição crítica especifica em operação de dispositivos eletro/Eletrônicos.

Belmiro Lunz

Blunz@vm.uff.br

 

ABSTRACT

An electrical / electronic devices of any kind in operation apparently ‘normal’ may be being subjected to conditions of Thermal and electric fields, which will affect their future either fully or partially operational performance.Prophylactic actions must be taken to minimize the occurrence of these situations.

Keywords; Telecommunications; electromagnetic radiation; Environment;

RESUMO                     

Um dispositivo elétro/eletrônico de qualquer natureza  em funcionamento aparentemente ‘normal’  pode estar sendo submetido a condições de campos elétricos e Térmicas, que vão   afetar parcial ou plenamente  seu futuro comportamento operacional.Medidas profiláticas devem ser tomadas de forma a minimizar a ocorrência  destas situações.

Palavras Chaves;Telecomunicações; radiações eletromagnéticas;Meio ambiente;

I.                    INTRODUÇÃO.   

         A extensão da vida operacional de um produto, VOP está condicionada  certamente ao cumprimento das condições especificadas para o seu uso padrão.Circunstancialmente essas condições adequadas de uso, estabelecidas pela engenharia de projeto, poderão não ser preenchidas pelo usuário.Os efeitos adversos decorridos do mau uso, impactarão então a vida do produto em sua extensão , abreviando-a.

Produtos eletrônicos em especial , sofrem negativa e pronunciadamente a ação de campos espúrios tanto de natureza elétrica como térmica. Isso é natural e fácil de intuir , uma vez que sistemas eletrônicos são operacionalmente sensíveis a comandos elétricos de entrada.  Se fenômenos elétricos intrusos conseguirem chegar, por caminhos alternativos, a circuitos sensíveis principais com certeza  por este ato, de forma não prevista afetará negativamente o equilíbrio da unidade, que responderá a interferência com prejuízo a sua operação normal Alias fenômenos prejudiciais  desses campos chegam a afetar a vida biológica conforme presumem muitos pesquisadores[2]. Campos térmicos tem efeitos  similares  uma vez que a temperatura afeta a concentração de portadores  na banda de condução implicando em perturbação elétrica nos semicondutores associados no projeto.

                      Grandezas em geral não somente elétricas e térmicas  mas campos magnéticos,  Eletromagnéticos , radiações mistas de origem nucleares do ambiente próximo ou com origem na alta atmosfera ou mesmo  do espaço profundo e vibrações mecânicos , podem interferir em modo de transferência na operação de um componente modificando-os de forma transitória ou permanente.

II.                  CONFIABILIDADE E PERDAS DE CONTROLE.

 

                    A ação dessas grandezas de influencias, acabam criando situações patológicas na operação do produto.  Aquelas manifestadas danificando inteiramente o componente são consideradas, entre todas, irônicamente, as de menor  importância pelos especialistas. Casos onde a ação dos danos desses componentes manifestam-se por e com intermitência  ou comprometem parcialmente o comportamento do sistema a qual pertencem mas  cuja identificação é difícil de ser  estabelecida  consiste na principal preocupação da área técnica , pois reduz a confiabilidade da instalação.

No espaço.

                       Medidas extraordinárias podem ser tomadas de forma a prevenir , mais que o trivial, os componentes vitais em um sistema. Alguns satélites em órbita terrestre são desativados em períodos de atividades solares intensas. A agencia de navegação espacial japonesa já informou perdas de satélites devido as condições extremas do clima espacial. No segundo semestre de 2010 o satélite europeu GOSE por razões de falha em componentes eletrônicos entrou em pane [1].Atividades elétricas impactantes estão presentes de forma negativa na maioria destes casos.

Na terra.

          Em processos industriais , as condições de normalidades  operacionais   são  supervisionadas  em ultima essência por  sistemas eletrônicos. Uma situação de alerta  amarelo deve prover adequadamente   ao pessoal de  operação  das  condições necessárias de manobra para controle  de  um processo negativo  em  evolução, como tempo preventivo e informações da situação. Falhas no sistema conduzem  a situações como as de Bopal,na India, de Chernobil  na Ucrania , de Three Mlle Island nos Estados Unidos e do VLS brasileiro  na Barreira do Inferno. Tudo pode começar  em  um transistor!

E dentro de nós!

Bem vindos a geração Cyborg. Um usuário de marcapassos cardíaco dispõe de carteira de identificação que o autoriza a usar entradas não guarnecidas  por detetores  eletrônicos de armas   em bancos , aeroportos  e em lugares de segurança  ostensiva.A idéia de usar outra entrada  é impedir  que campos espúrios venham a causar danos  , perturbando o funcionamento normal do marcapasso. Normas técnicas de eletrônica embarcada e outras prevêem que um componente do sistema deva  evitar  afetar  outros componentes e ser robusto em  sua relação passiva no sistema.Tudo indica que nesse caso  a norma que cuida da  eletrônica embarcada (3)  é adequadamente aplicável ás próteses de aplicação humana.A intensidade da dependência humana em relação a esses  fatores cresce  com o uso da tecnologia . Mais intensamente as próteses  tendem a ser cada dia mais dependentes do processamento externo (Nas nuvens) aumentando sua abrangência de controle , principalmente as próteses neurais.

III.               COMPONENTES SEMICONDUTORES.

Os semicondutores são componentes  que desempenham as mais diversas e variadas  funções em  um  sistema.Eles são responsáveis pela qualidade da  energia no suprimento da alimentação dos circuitos em geral. Eles são responsáveis pela ação lógica  e sucesso da programação em um computador. Nada se faz  em um sistema de medição e controle moderno sem os semicondutores.É claro e não é ficção que estas funções podem ser desempenhadas por computadores pneumáticos. Embora ´sejam práticos´ eles não são econômicos, não são nada pequenos , fazem muito barulho, ou seja tem dedicação especifica para certos casos.Então, na pratica e aos custos do dia a dia a tecnologia a semicondutores é imprescindível .

              Os semicondutores tem  um problema complicado. São muito vulneráveis  a temperatura. Diferentes da válvula termiônica  que ocupava seu lugar no segundo terço do século passado e que funcionava com temperaturas internas de 800 graus , os semicondutores em geral não podem operar a temperaturas muito maiores  que 80, 100ou 150 graus na escala Celsius, dependo do tipo e natureza do semicondutor utilizado.

               Os materiais semicondutores  mais importantes  ainda são o silício e o germânio este ultimo em menor escala.A temperatura de junção de um transistor de germânio torna  crítica  seu comportamento  aos  90 graus e os de silicio dos 110 aos 150.O valor depende da técnica de sua construção e do seu projeto de materiais( 2).   

               A quantidade de calor liberada de um componente é dada pela potencia que o alimenta. O produto da tensão elétrica pela corrente elétrica [VxI] , define o ponto de operação do semicondutor. Esta potencia é em  principio constante. É estabelecida no projeto do circuito segundo as recomendações existentes nos manuais técnicos fornecidos pelos fabricantes . A manutenção do nível de potencia  depende da estabilidade do circuito.Este valor pode oscilar em torno do ponto de operação porem resultando numa variação media nula. Uma ocorrência  de   variação da potencia  com um viés de crescimento positivo  é uma situação anormal devida sempre a algum processo elétrico espúrio.

IV.                 MECANISMO DE DANOS.

               A potencia desenvolvida [VxI] no interior do semicondutor passa   para o exterior atravessando a Resistência Termica[3] existente entre  o centro térmico c e a superfície s do semicondutor [Rt(c,s)]  segue,   pela Resistência Térmica [Rt(s,a)] entre esta superfície s e o ambiente livre a que está a temperatura ambiente [Ta].Nesse  percurso a potencia desenvolve uma queda de temperatura promovendo uma temperatura média central no semicondutor [Tc ] dado por(1):

                                        Tc  = VI {Rt(c,S) + Rt(s,a)} + Ta                                 (1)

              Segundo esse modelo  a Temperatura central [Tc] do semicondutor  é afetável pelo par de elementos da forma (2)   :        

                                                     Tc=f(VI,Ta)   < Tcmax                                    (2)

ondeTcmax é a temperatura maxima central do semicondutor, que depende da natureza do material de é constituído o componente sendo especificado no manual do fabricante.    A temperatura máxima para um dado componente não deve ser atingida. O componente pode entrar em processo cumulativo de dano ou ser afetado imediatamente cessando sua vida útil no ato.

                Isso implica na existência de um valor Maximo Tamax que a temperatura ambiente pode subir:  

                                                                                               

                                        Ta  =Tcmax – VI {Rt(c,s) + Rt(s,a)} < Tamax                                            

Revisitando o Modelo.

                 Oriundas do limite Maximo de temperatura no interior[4]  ,duas condições podem conduzir a danos a operação do semicondutor  segundo o modelo estabelecido.

1)      Acidentes elétricos que causem  um crescimento na potencia de alimentação do semicondutor, estabelecendo a condição:

                                         VI >VI Max= Tcmax{Rt(c,S) + Rt(s,a)} +Tamax                             

2)      Aumento da temperatura ambiente

                                                                   Ta> Tamax

V.              CONCLUSÃO:

 Equipamentos eletro-eletrônicos assim como qualquer produto  do gênero, seja ele um simples computador , um satélite artificial , um sistema de controle  industrial , ou a eletrônica embarcada  em  uma nave espacial , num veiculo terrestre ou numa prótese humana está sujeito a  ser impactado por campos espúrios de natureza elétrica, eletromagnética ,estando estes termicamente manifestados ou não.

REFERENCIAS;                   
[4]Michael Lunz, Günther Striedl, Ulrich Fröhler (January 2000) Thermal Resistance,Theory and Practice.Published by Infineon Technologies AG, Munich, Germany.<http: //www.Infineon.com>

[3]by Wakefield Engineering Inc, An introduction to Heatsinks and Cooling. V1.01 1-Apr-2004.
<homepages.which.net/~paul.hills/Heatsinks/Heatsinks.htm>

[2]Jorge Fernandes Morais and Glaucio Lima Siqueira  (24/09/2010 )  – WirelessTechnologies Environmental Impacts,
Publicado por:Revista Internacional do Conhecimento em
<https://revistainternacionaldoconhecimento.wordpress.com/category/ciencia/&gt;

[1]Satélite europeu GOCE sofre avaria  ( 26 ago. 2010) – O estadão. Disponível em<www.estadao.com.br/…/vida,o-satelite-europeu-goce-sofre-avaria-no-sistema-de-transmissao,600710,0.htm>


Responses

  1. interessante aprender coisas fora (!?) de nossa área de trabalho. Até que ponto não estamos dependentes de toda essa tecnologia cada vez mais…. Muito interessante pensar como somos vulneráveis e não nos damos conta… Parabens pela referência de sua publicação.


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