Lekcja 1. Wyładowania elektrostatyczne, wykres fali prądowej i jej parametry, typy i poziomy wyładowań elektrostatycznych

Wstęp

Lekcja 1 wprowadza podstawowe pojęcia z zakresu wyładowań elektrostatycznych. W tej lekcji opisane są źródła wyładowań elektrostatycznych, pojęcie fali prądowej oraz jej parametrów, model matematyczny fali. Omówione są poziomy wyładowań elektrostatycznych oraz prądy maksymalne podczas wyładowań elektrostatycznych.

Cele Lekcji

Osoba ucząca się:

• wyjaśnia źródła i zjawiska fizyczne związane z wyładowaniami elektrostatycznymi
• wyjaśnia i opisuje wykres idealnej fali prądowej i jej parametry
• rozumie model matematyczny idealnej fali prądowej
• rozróżnia poziomy napięć wyładowań elektrostatycznych i ich podział na kontaktowe i powietrzne
• rozróżnia poziomy prądów maksymalnych wyładowań elektrostatycznych w zależności od przyłożonego napięcia

1. Wyładowania elektrostatyczne

Źródłem wyładowań elektrostatycznych są ładunki elektrostatyczne nagromadzone w ciele człowieka lub na przedmiotach znajdujących się w pobliżu badanego sprzętu.

Główne przyczyny nagromadzenia się ładunków elektrycznych można podzielić na następujące grupy:

• tarcie i separacja materiałów

Przykładem tarcia i separacji materiałów są chodzenie po powierzchniach z włókien syntetycznych, siedzenia na krzesłach z winylowym pokryciem, noszenie odzieży z materiałów syntetycznych, manipulowanie przedmiotami plastykowymi.

• niska wilgotność względna
  Atmosfera o wilgotności poniżej 30‑40% RH zwiększa możliwość nagromadzenia się ładunków z otoczenia (tzw. spływanie ładunków)

• indukcja elektrostatyczna
  Ciało człowieka może naładować się bez bezpośredniego kontaktu z przedmiotem o wysokim ładunku elektrycznym, ładunek gromadzi się poprzez przebywanie w pobliżu przedmiotu o wysokim ładunku elektrycznym.

Urządzaniem, które symuluje wyładowania elektrostatyczne  jest generator wyładowań elektrostatycznych, który jest modelem uproszczonym ciała człowieka z metalowym obiektem w dłoni.

2. Wykres idealnej fali prądowej i jej parametry

Wykres idealnej fali prądowej reprezentuje charakterystykę prądową podczas wyładowania elektrostatycznego przy zadanym poziomie wyładowania (napięcie w kV).

Kluczowe parametry idealnej fali prądowej, które można odczytać bezpośrednio z wykresu,  opisane są jako:

• tr - czas narastania - czas od 10 % do 90 % wartości szczytowej pierwszego piku. Określa stromość fali i zawartość wysokich częstotliwości.
• Ip - prąd szczytowy - maksymalny prąd pierwszego, bardzo szybkiego piku. Najbardziej destrukcyjny dla układów cyfrowych i ochron TVS.
• I30 - prąd po 30ns - wartość prądu mierzonego dokładnie 30 ns po momencie, w którym prąd osiągnął 10 % Ip. Odpowiada energii plateau.
• I60 - prąd po 60ns - wartość prądu mierzonego 60 ns po momencie 10 % Ip. Określa długotrwały zanik fali i całkowitą energię wyładowania.

3. Model matematyczny idealnej fali prądowej 

Model matematyczny idealnej fali prądowej można przedstawić jako sumę dwóch funkcji wykładniczych.

Składowe modelu matematycznego są następujące:

• pierwsza składowa (człon równania z indeksami I₁ i k₁) odpowiada za bardzo szybki narost prądu i generowanie pierwszego piku prądowego fali prądowej. Składowa ta jest zmodyfikowana funkcją Heidlera. Funkcja Heidlera jest powszechnie stosowana do modelowania wyładowań atmosferycznych.
• druga składowa (człon równania z współczynnikami I₂ i k₂) odpowiada za wysokość drugiego piku prądowego, za kształt spłaszczonej części fali prądowej (fr. plateau "wzgórze") oraz zbocze z punktami  I₃₀, I₆₀.

Współczynniki wchodzące w skład równania:

• I₁, I₂: współczynniki skali prądu, zależne od napięcia probierczego (4 kV), odpowiedzialne odpowiednio za wysokość pierwszego i drugiego piku. Typowe wartości  dla 4kV to  I₁=16.6A,  I₂=9.3A.
• τ₁, τ₂ : stałe czasowe odpowiedzialne odpowiednio za  czas narastania i czas opadania pierwszego piku prądowego. Typowe wartości stałych czasowych to τ₁,=1.1ns τ₂=2ns.
• τ₃, τ₄ : stałe czasowe odpowiedzialne odpowiednio za  czas narastania i czas opadania drugiego piku prądowego. Typowe wartości stałych czasowych to τ,=12ns τ₂=37ns.  - n : wykładnik potęgowy pozwalający na wygładzanie i dopasowanie krzywej. Typowa wartość to n=1,8.

4. Typy wyładowań elektrostatycznych

Wyładowania elektrostatyczne dzielimy na wyładowania kontaktowe i wyładowania powietrzne.  

Wyładowania kontaktowe charakteryzują się tym, że kontakt elektryczny z urządzeniem następuje przed wyładowaniem impulsu elektrycznego. Energia impulsu jest przekazywana w sposób powtarzalny i kontrolowany. Przy wyładowaniu kontaktowym iskra nie występuje, wyładowanie nie zależy od przebicia powietrza. W przypadku testów elektrostatycznych najpierw następuję kontakt elektryczny elektrody generatora z obiektem testowanym, następnie generator generuje falę prądowa do urządzenia. Zaletą testów kontaktowych jest duża powtarzalność i niezależność od wilgotności i temperatury powietrza. Ograniczenia testów kontaktowych są związane z słaby odzwierciedleniem rzeczywistych obiektów, możliwością stosowania tylko do urządzeń z powierzchniami przewodzącymi.

Wyładowanie powietrzne polega na tym, że obiekt naładowany zbliża się do urządzenia i następuje przeskok iskry (wyładowanie elektrostatyczne) przed kontaktem elektrycznym z urządzeniem. W przypadku testów elektrostatycznych, napięcie na elektrodzie rośnie aż do momentu przebicia dielektrycznego powietrza. Powietrze działa jako izolator. Przy odpowiednio wysokim napięciu powietrze zostaje zjonizowane , powstaje kanał przewodzący, a następnie następuje wyładowanie elektrostatyczne. Zaletą testów powietrznych jest wysoki poziom odwzorowania rzeczywistych sytuacji i możliwość wykonywania testów na powierzchniach izolowanych (np. obudowy plastykowe). Ograniczenia testów powietrznych są związane z gorszą powtarzalnością, zależnością od warunków atmosferycznych, trudną interpretacja wyników.