pobierz - Zakład Wysokich Napięć i Kompatybilności

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
powierzchniach dielektryków.
się
elektronów,
jonów
Wyładowania elektrostatyczne charakteryzują następujące parametry:
lub
mikrodrobin
na
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
Wartość napięcia
200...9 000 V
10 000...15 000 V
300...7 000 V
Wyjęcie plastikowego wyłącznika z
torebki foliowej
do 20 000V
Potarcie torby poliestrowej i położenie jej na blacie pokrytym PCV
100...800 V
Całkowita energia podczas wyładowania jest równa energii zgromadzonej w
pojemności przed wyładowaniem, czyli W = 0,5 C U2. 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
Napięcie
Energia
[kV]
[mJ]
[pF}
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, uz - 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, CK = 150 pF
R = 15 Ω, L = 0,7 µH, CK = 200 pF
u = 10 kV
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