PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ELETROSTÁTICAS EM PLATAFORMAS DE COLETA DE DADOS

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1 PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ELETROSTÁTICAS EM PLATAFORMAS DE COLETA DE DADOS Alexandre Pinhel Soares Engenheiro do Departamento de Equipamentos Eletroeletrônicos de Furnas Centrais Elétricas S.A. Coordenador da Comissão de Estudos de Proteção Contra Descargas Eletrostáticas do ABNT/CB-03 - Comitê Brasileiro de Eletricidade. Tel.: (0xx21) pinhel@furnas.com.br Francis Lacerda Meteorologista da Secretaria de Recursos Hídricos do Estado de Pernambuco. Tel.: (0xx81) francis@sectma.pe.gov.br ABSTRACT This paper presents the Electrostatic Discharge (ESD) phenomena in the Meteorological Data Acquisition Equipment and the tools and metodologies to solve this problem. RESUMO Nos últimos anos tem-se observado, no Brasil, uma notável atualização tecnológica nos dispositivos de aquisição de dados meteorológicos. As estações meteorológicas e hidrológicas convencionais têm sido substituídas por Plataformas de Coleta de Dados (PCD) que são compostas, essencialmente, por componentes eletrônicos. O constante avanço da miniaturização desses componentes tem como consequência indesejada o aumento da suscetibilidade à danos, sendo uma das mais expressivas formas de danos os que são causados por um fenômeno elétrico denominado Descarga Eletrostática (ESD - Electrostatic Discharge). Este trabalho apresenta o problema das ESD em PCDs. Será apresentado como a umidade do ar tem forte influência nesse tipo de fenômeno e qual o ferramental e procedimentos necessários ao operador de campo e ao supervisor para que consiga-se reduzir à quase zero o risco de dano no equipamento causado por ESD a partir de manuseio indevido. PALAVRAS-CHAVE: Plataforma de Coleta de Dados - Descarga Eletrostática - Umidade do ar INTRODUÇÃO A eletricidade estática pode ser definida como a carga elétrica resultante do desbalanceamento de elétrons na superfície de um material. O desbalanceamento gera um campo elétrico que pode influenciar outros objetos a distância e pode gerar uma descarga (evento ESD), i.e., uma transferência de elétrons entre dois corpos de forma que a carga final de cada um deles, individualmente, seja zero. A eletricidade estática é mais frequentemente criada pelo contato e separação de dois corpos de materiais iguais ou não. Um exemplo típico é o caso de uma pessoa andando sobre carpete. A carga é gerada a partir do contato e posterior separação entre a sola do sapato e o carpete. A carga será dependente de variáveis como as características dos materiais envolvidos no evento de contato/separação, a velocidade de separação, a área de contato além de variáveis ambientais como temperatura, quantidade de partículas no ar e, principalmente, a umidade relativa do ar (RH), como pode ser observado na tabela

2 Tabela 1 : Exemplos de Geração de Carga Eletrostática Comparação entre ambientes seco e úmido - Tensões típicas Evento RH 10-25% RH 65-90% Andar sobre carpete 35 kv 1.5 kv Andar sobre piso de vinyl 12 kv 250 V Levantar de um assento de espuma de urethane 18 kv 1.5 kv Deslizar uma caixa de styrene em um carpete 18 kv 1.5 kv Trabalhar em uma mesa 6 kv 100 V Pegar uma embalagem de polietileno de sobre uma mesa 20 kv 600V O ininterrupto processo de miniaturização iniciado com os Circuitos Integrados (CI), têm forçado o contínuo aprimoramento das tecnologias de proteção contra ESD, a começar pela própria estrutura interna dos CIs que, na maioria das vezes, contém circuitos específicos de proteção. Apesar de todos os avanços tem-se que ainda hoje todos os CIs são susceptíveis, em maior ou menor grau, a danos por ESD. A tabela 2 exemplifica. Tabela 2 : Sensibilidade dos componentes eletrônicos a um evento ESD. Tipo do dispositivo Sensibilidade à ESD (Volts) VMOS Mosfet, GaAsfet, EPROM JFET OP-AMP Diodo Schottky Resistor de filme Schottky TTL Sendo equipamentos eletrônicos, as Plataformas de Coleta de Dados (PCD) utilizadas na Meteorologia estão sujeitas a serem danificadas por ESD, bastando para isso que um operador de campo manuseie, erroneamente, suas ferramentas, instrumentos ou as partes da PCD que possuam componentes eletrônicos. A PCD pode efetivamente ser danificada com a simples conexão do cabo de comunicação de um computador portátil, por exemplo. Esse trabalho se propõem a alertar a comunidade de Meteorologia para os problemas com ESD, especialmente em localidades onde ocorrem dias de muito baixa umidade do ar. Serão sugeridas algumas metodologias de trabalho e será apresentado ferramental que, se devidamente usado, provavelmente anulará os riscos de danos causados por ESD. 1353

3 A PCD Uma PCD (figura 1) pode ser definida como um computador interligado a um conjunto de sensores, a um sistema de fornecimento de energia e, em grande parte, a um sistema de telecomunicações. Figura 1 : Exemplo da parte interna de uma PCD (com um computador portátil conectado para algum procedimento de rotina). Por uma série de motivos operativos como aferição dos sensores, coleta de dados, reconfiguração de parâmetros, manutenção preventiva ou corretiva, é comum que eventual ou rotineiramente um indivíduo, normalmente denominado operador ou técnico de campo entre em contato fisicamente com os equipamentos que compõem a PCD, podendo ocasionar um evento ESD com consequente falha que pode ser : Falha Latente : Falha oculta não imediatamente detectável. [1] Falha catastrófica : Falha simultaneamente repentina e completa. [1] A falha catastrófica é facilmente detectável, pois ela é caracterizada pela imediata inoperância em alguma função do equipamento. Já a falha latente é mais complexa, pois o defeito pode aparecer muito tempo depois, descaracterizando o evento ESD e iludindo a equipe de manutenção. A probabilidade de ocorrência de um evento ESD é inversamente proporcional a umidade do ar, porém fatores com o tipo de roupa (materiais sintéticos) e o tipo de pele (seca) do operador também influenciam na geração de carga. Como exemplo de local com ocorrência de baixa umidade do ar tem-se a PCD de Petrolina, no Estado de Pernambuco (figura 2). 1354

4 Umidade Relativa Média do Ar (%) Tempo (Dias) Figura 2 : Exemplo de umidade Relativa Média do Ar em PCD (Petrolina, no Estado de Pernambuco, de julho a setembro de 1999). Deve-se ressaltar que o exemplo fornecido refere-se à umidade relativa média, o que implica que durante momentos no decorrer dos dias os valores instantâneos chegaram a ser menores que os indicados no gráfico da figura 2. Nesse exemplo em quase metade dos dias do período a umidade relativa média foi inferior a 50%, sendo que no dia 27 de agosto de 1999 foi de 26%. Pode-se afirmar que qualquer manuseio na PCD neste dia, sem as devidas precauções, implicaria necessariamente em alguma falha. A PROTEÇÃO CONTRA ESD A verificação da umidade do ar antes do manuseio do equipamento e a não utilização de roupas sintéticas quando da visita à PCD podem reduzir os riscos de eventos ESD, porém o mais seguro é a implantação de um Programa de Proteção Contra ESD que definirá o ferramental específico, a identificação dos itens sensíveis através de simbologia própria [2] e os procedimentos de operação, supervisão e auditoria [3]. O conceito de proteção contra ESD baseia-se na drenagem da carga eletrostática armazenada para um local que não seja sensível. Esse local é o solo e o caminho da drenagem é o aterramento. Em outras palavras, o operador deve estar, a todo momento, em perfeita conexão com o sistema de aterramento da PCD. Essa conexão é realizada por um dispositivo denominado pulseira antiestática (figura 3). O ponto onde a pulseira será conectada deve garantir continuidade com o aterramento da PCD e é recomendável [3] que tal pondo seja específico para essa finalidade e mecanicamente adequado e que esteja claramente identificado [2]. Uma vez em conexão com o aterramento, qualquer carregamento eletrostático gerado pelos movimentos do operador quase que imediatamente será drenado para o terra, de forma a impedir que os potenciais eletrostáticos alcancem os valores necessários a eventos ESD. Caso haja necessidade de manuseio de algum item que possua conponentes eletrônicos, como uma placa de circuito impresso ou um dispositivo sensor deve-se, primeiramente, estabelecer-se uma superfície eletricamente adequada. Tendo em vista as características mecânicas típicas de uma PCD, a forma mais conveniente de se obter essa superfície é com a utilização de um dispositivo denominado manta antiestática, que é eletricamente condutora e que 1355

5 deve ser conectada ao aterramento pelos mesmos motivos da pulseira. A figura 4 exemplifica a utilização de uma manta em conjunto com a pulseira. No caso de uma PCD, a manta pode ficar, por exemplo, no local usualmente utilizado pelo computador portátil. Figura 3 : Exemplo de pulseira antiestática Figura 4 : Exemplo de utilização de uma manta antiestática Um outro aspecto importante do Programa de Proteção é a verificação frequente do estado das pulseiras e das mantas utilizadas pelos operadores de campo. Essas verificações devem ficar a cargo da supervisão e os resultados devem ser registrados em planilha própria para uso em auditorias ou processos de certificação de serviços. CONCLUSÕES Os potenciais problemas com ESD em PCDs podem ser quase que totalmente anulados com um conjunto pequeno de ferramentas e procedimentos de controle. O treinamento e a conscientização dos operadores de campo, a correta identificação dos pontos de aterramento e as verificações de conformidade efetuadas pela supervisão, são elementos decisivos no sucesso da implantação do Programa de Proteção. Lugares com ocorrência de baixa umidade do ar são prioritários na implantação do Programa de Proteção, porém é recomendável que o Programa se extenda a todas as PCDs de forma a que os operadores tenham os procedimentos de controle plenamente incorporados às rotinas de trabalho. Por fim, deve-se ressaltar que, apesar desse trabalho ser dirigido às PCDs, ele é extensível a outros ambientes onde ocorram manuseios de equipamentos eletrônicos, desde que sejam feitos os devidos estudos. REFERÊNCIAS Norma ABNT NBR14163 Descargas eletrostáticas - Terminologia, Norma ABNT NBR14164 Símbolos gráficos utilizados no controle das descargas eletrostáticas, IEC Technical Report Protection of electronic devices from electrostatic phenomena General requirements,