LABORATORIUM KOMPATYBILNOŚCI ELEKTROMAGNETYCZNEJ POLITECHNIKA WARSZAWSKA KATEDRA WYSOKICH NAPIĘĆ I APARATÓW ELEKTRYCZNYCH BADANIE WYŁADOWAŃ ELEKTROSTATYCZNYCH WPROWADZENIE Elektryczność statyczna występuje powszechnie zarówno w przemyśle, jak i w życiu codziennym. Ujemne i dodatnie elementarne ładunki elektryczne są pierwotną przyczyną wszelkich zjawisk elektrycznych, magnetycznych i elektromagnetycznych. Wiele z tych zjawisk jest nieszkodliwych i często zupełnie niezauważalnych. Istnieje wiele praktycznych ich zastosowań w procesach technicznych (np. filtrowanie stałych zanieczyszczeń, separacja materiałów ziarnistych, malowanie elektrostatyczne, itp.), ale w wielu sytuacjach mogą one stanowić poważne zagrożenie dla urządzeń technicznych. Jako wyładowanie elektrostatyczne jest rozumiany przepływ ładunku pomiędzy mediami stałymi, ciekłymi lub gazowymi naładowanymi różnoimiennym ładunkiem elektrostatycznym. Występują one na przykład przy: chodzeniu po dywanikach izolacyjnych, manipulowaniu elementami z tworzyw sztucznych, przesuwaniu rolek papieru lub sztucznych materiałów w procesach technologicznych, przypływie cieczy izolacyjnych przez rury (przewody), wzbijaniu się pyłów (kurzu), wystrzeliwaniu rakiet, przelotach samolotów, itd. Każda para mediów obiektu fizycznego lub biologicznego może być naładowana dodatnio lub ujemnie względem ziemi w sposób przypadkowy lub zaplanowany. Można wyróżnić kilka typowych mechanizmów ładowania elektrostatycznego, a mianowicie: przez elektryzację i podział (indukcja elektrostatyczna), przez styk i pocieranie lub tarcie (tryboelektryzacja), w strefie ujemnego i dodatniego ulotu, przez kontakt z naładowaną lub znajdującą się pod napięciem elektrodą, przez rozdzielenie naładowanych okładzin kondensatora, przez dyfuzję termiczną jonów lub elektronów do wnętrza obiektu, w wyniku kontaktu z elektryczną warstwą podwójną powstającą na granicy faz, np. cieczy i powietrza, przez przypadkowe osadzanie się elektronów, jonów lub mikrodrobin na powierzchniach dielektryków. Wyładowania elektrostatyczne charakteryzują następujące parametry:
wartość napięcia (potencjału) elektrostatycznego, wartość szczytowa prądu wyładowania, biegunowość, czas narastania i opadania impulsu prądu wyładowania. Człowiek, którego pojemność ciała wynosi ok. 200 pf (od 150-300 pf), może naładować się w ciągu kilku sekund do wartości napięcia wynoszącej kilka - kilkanaście kilowoltów (najczęściej 10-15 kv, maksymalnie ok. 20-25 kv). Wartość tego napięcia zależy m.in. od wilgotności powietrza, od rodzaju ubrania oraz spodu obuwia. Najwyższym możliwym napięciem jest 40 kv, jednakże przy tej wartości rozpoczyna się samo rozładowanie związane z mechanizmem ulotu. a) b) Rys.1. Zmienność napięcia elektrostatycznego, do którego może naładować się człowiek: a) - w funkcji czasu, b) - w zależności od wilgotności powietrza i rodzaju materiału podeszwy obuwia. Tablica 1. Przykładowe wartości napięć elektrostatycznych zmierzonych przy względnej wilgotności powietrza 24% i w temperaturze 21 C. Rodzaj czynności Osoba idąca po podłodze z PCV Osoba idąca po nylonowym dywanie Podniesienie torby z PCV z pulpitu Wyjęcie plastikowego wyłącznika z torebki foliowej Potarcie torby poliestrowej i położe- nie jej na blacie pokrytym PCV Wartość napięcia 200...9 000 V 10 000...15 000 V 300...7 000 V do 20 000V 100...800 V Całkowita energia podczas wyładowania jest równa energii zgromadzonej w pojemności przed wyładowaniem, czyli W = 0,5 C U 2. Ma ona wartości milidżuli (tabl.2), nie stanowi zagrożenia dla człowieka, lecz jest znacząca jako zagrożenie dla miniaturowych 2
elementów elektronicznych i często wystarczająca do zainicjowania wybuchu materiałów łatwo zapalnych. Tablica 2. Przykładowe wartości energii wyładowania elektrostatycznego. Klasyfikacja ESD Pojemność obiektu [pf} Napięcie [kv] Energia [mj] Ekstremalne 500 40 400 Najgorsze* 250 25 78 Typowe 150 15 17 Minimalne 100 6 2 tzw. worst case Skutkiem wyładowania elektrostatycznego do urządzenia elektronicznego może być jego uszkodzenie, zakłócenie pracy lub nawet zniszczenie. a) b) Rys.2. Oddziaływanie wyładowania elektrostatycznego: (a) przy wyładowaniu bezpośrednim do obwodu urządzenia elektronicznego, (b) przy wyładowaniu do obudowy urządzenia z układami scalonymi; IC - układ scalony, u z - zaindukowane napięcie zakłóceniowe. Przebiegi napięć indukowanych wskutek wyładowania elektrostatycznego są uzależnione od parametrów prądu wyładowania zależnego od parametrów obwodu rozładowania oraz od wymiarów elementów obwodów tworzących pętle indukcyjne w urządzeniu (obwodzie) elektronicznym. Przykładowe przebiegi napięć zakłóceniowych indukowanych przez prąd wyładowania elektrostatycznego do obudowy urządzenia z elementem tworzącym pętlę o wymiarach 1 cm 1 cm są przedstawione poniżej. 3
a) Wyładowanie od ciała człowieka b) Wyładowanie od obiektu ruchomego R = 1 kω, L = 0,7 µh, C K = 150 pf u = 10 kv R = 15 Ω, L = 0,7 µh, C K = 200 pf u = 2 kv d) c) e) PROGRAM POMIARÓW. Do pomiarów są stosowane następujące urządzenia: - generator wyładowań elektrostatycznych, - oscyloskop cyfrowy, sonda pomiarowa, - elementy odwzorowujące parametry obwodów elektrycznych. Program pomiarów składa się z czterech części. 1. Generacja wyładowań z generatora bezpośrednio do drugiej elektrody. W tej części ćwiczenia należy przeprowadzić serię pomiarów dla dwóch wartości generowanych napięć (np. 6 i 12 kv). Pomiar polega na wygenerowaniu wyładowania elektrostatycznego o żądanej amplitudzie w kierunku drugiej elektrody ( półkulistej) oraz na zarejestrowaniu przebiegu czasowego prądu wyładowania na oscyloskopie cyfrowym. Należy odczytać parametry prądu wyładowania, zanotować je w protokole oraz wydrukować przykładowy oscylogram. Dla każdego napięcia wyładowania należy wygenerować minimum 5 impulsów. W sprawozdaniu należy porównać otrzymane wyniki. 2. Generacja wyładowań z generatora do drugiej elektrody poprzez włączone szeregowo elementy R, L, C odwzorowujące parametry obwodu rozładowania w urządzeniach elektrycznych Różnica wykonywanych pomiarów w tej części, różni się od poprzedniej tym, że wyładowania elektrostatyczne są generowane do elektrody połączonej szeregowo z elementami pasywnymi obwodu, takimi jak rezystory, cewki czy kondensatory. Wskazane 4
jest również utworzenie obwodu składającego się z kombinacji w/w elementów np. obwodu RLC. W protokole należy zapisać zmierzone parametry rejestrowanych z pomocą oscyloskopu przebiegów oraz wydrukować przykładowe oscylogramy. Należy w sprawozdaniu porównać otrzymane wyniki oraz odnieść je do poprzedniego przypadku pomiaru, czyli wyładowań elektrostatycznych do elektrody bez włączonych dodatkowych elementów. Pomiary należy przeprowadzić dla tych samych dwóch wartości generowanych napięć i dla minimum 3 wartości napięcia dla każdego elementu dołączonego do elektrody półkulistej. 3. Generacja wyładowań z generatora do metalowego obiektu zawierającego pętlę indukcyjną Trzecia część ćwiczenia polega na wygenerowaniu wyładowania elektrostatycznego do obiektu, jakim jest metalowy prostopadłościan odwzorowujący urządzenie elektroniczne umieszczone w metalowej obudowie. Wewnątrz obiektu jest umieszczona pętla z przewodu miedzianego (ramka), którego końce są doprowadzone do gniazda BNC do wyjścia na oscyloskop. Pod wpływem generacji wyładowania elektrostatycznych do metalowej obudowy w pętli jest indukowane napięcie. Należy zmierzyć parametry napięć indukowanych (amplituda, czas trwania, czas narastania) oraz określić wpływ miejsca generacji wyładowania do obudowy na parametry napięć indukowanych. Pomiary należy przeprowadzić dla minimum 3 miejsc generacji wyładowań do metalowej obudowy. 4. Obserwacja naturalnych wyładowań elektrostatycznych pochodzących z ciała człowieka. Należy zaobserwować występowanie i zmierzyć parametry wyładowań elektrostatycznych pochodzących od człowieka. W tym celu należy się naelektryzować osobę wykonująca ćwiczenie (np. poprzez pocieranie butami o wykładzinę syntetyczną) trzymając w ręku elektrodę (drut), a następnie wygenerować przeskok iskrowy do elektrody używanej w części pierwszej ćwiczenia. W przypadku wystąpienia wyładowania należy zarejestrować przebieg prądu na oscyloskopie oraz określić parametry impulsu prądu wyładowania (amplitudy i charakterystyczne czasy). W każdej części ćwiczenia prowadzący może zmienić zakres pomiarów np. ograniczyć go lub rozszerzyć liczbę wykonywanych pomiarów. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW Wyniki pomiarów należy przedstawić w postaci tabel oraz wykresów porównawczych. W sprawozdaniu z ćwiczenia należy: - opisać metodykę pomiarów, - scharakteryzować urządzenia w otoczeniu których wykonywane są pomiary, - opisać oscylogramy oraz uzyskane wyniki, - dokonać analizy wyników pomiarów i sformułować wnioski. 5