Lekcja 2. Budowa generatora wyładowań elektrostatycznych

Wstęp

Lekcja 2 przedstawia istotne aspekty dotyczące modularnej budowy generatora wyładowania elektrostatycznego. Wyjaśnia budowę wewnętrzną na podstawie schematu elektrycznego i pokazuje reprezentacje poszczególnych komponentów elektrycznych jako odzwierciedlenie fizycznych zjawisk zachodzących podczas wyładowania elektrostatycznego. Opisuje modularna architektury generatora z wyróżnieniem jednostki głównej, modułów wyładowań i głowic kontaktowych. W lekcji opisane zostały różne zastosowania modłów wyładowań i głowic z zależności od wymaganej aplikacji.

Cele Lekcji

Osoba ucząca się:

• wyjaśnia schemat elektryczny generatora wyładowania elektrostatycznego
• rozumie rolę poszczególnych elementów elektrycznych generatora w odzwierciedlaniu zjawisk fizycznych
• występujących podczas wyładowania elektrostatycznego
• opisuje modularną architekturę generatora
• rozróżnia jednostkę główną, moduły wyładowań i głowice kontaktowe
• opisuje zastosowania i parametry poszczególnych modułów wyładowań
• opisuje zastosowania i parametry poszczególnych głowic kontaktowych

1. Schemat elektryczny typowego generatora wyładowania elektrostatycznego

Uproszczony schemat elektryczny generatora wyładowania elektrostatycznego symuluje realne, często spotykane w praktyce wyładowanie elektrostatyczne - osoba naładowana elektrostatycznie dotyka urządzenie metalowym kluczem, palcem, długopisem, pierścionkiem.

Elementy schematu elektrycznego generatora ESD symulują fizyczne właściwości modelu fizycznego: człowiek z elementem metalowym. 

Poniżej opisane są poszczególne elementy schematu elektrycznego  i odpowiadające im funkcje modelu fizycznego:

• DC HV Supply - Symuluje naładowanie ciała człowieka do wysokiego potencjału elektrostatycznego (np. poprzez tarcie o dywan lub ubranie).
• Rezystor ładowania Rc - typowa wartość wynosi od 50 do 100 [MOhm], rezystor ten ogranicza prąd ładowania, tak aby naładowanie kondensatora odbywało się powoli i bezpiecznie.
• Kondensator magazynujący energie Cs - typowa wartość wynosi 150pF, reprezentuje pojemność elektryczną ludzkiego ciała względem otoczenia lub ziemi.
• Kondensator pojemności rozproszonej Cd -reprezentuje pojemność pasożytnicza ręki i metalowego przedmiotu względem otoczenia.
• Rezystor rozładowania Rd - typowa wartość wynosi 330[Ohm], jest to rezystancja ręki człowieka z metalowym przedmiotem. Wartość tego rezystora wpływa na czas rozładowania kondensatora Cs (stała czasowa układu RC tau=Rd*Cs=49ns)
• Przełącznik ładowania - Przełącznik służący do naładowania kondensatora Cs do żądanego napięcia testowego.
• Przełącznik rozładowania - symuluje moment zetknięcia metalowego przedmiotu z urządzeniem (lub iskrę w przypadku Air Discharge).
• Discharge Tip - Bezpośredni punkt kontaktu lub iskry – głowica wyładowcza - symuluje metalowy przedmiot w dłoni człowieka (klucz, śrubokręt, palec).
• Discharge returm Cable - Przewód uziemiający pistolet – symuluje ścieżkę powrotu prądu przez ciało człowieka do ziemi lub otoczenia.

2. Funkcje, zasilanie i architektura generatora wyładowań elektrycznych ESD3000

ESD3000 jest nowoczesnym, podręcznym symulatorem wyładowań elektrostatycznych zasilanym z baterii. Jest to jeden z najbardziej modularnych generatorów ESD na rynku, pozwalający na testy do 30 kV bez zewnętrznej jednostki bazowej.

Zasilanie ESD3000 jest zrealizowane za pomocą 10 baterii typu AA, które zapewniają  około ośmiu godzin pracy przy częstotliwości wyładowań 1 Hz. Możliwe jest użycie baterii akumulatorowych NiMH albo zwykłych baterii alkalicznych.

Modularna architektura jest dużą zaletą  ESD3000. Moduły wyładowcze  są w pełni wymienialne i zawierają wszystkie elementy wysokonapięciowe, co pozwala na niezależną kalibrację każdego modułu.

3. Jednostka główna generatora wyładowań elektrycznych ESD3000

Jednostka główna generatora ESD3000 jest ergonomiczna, w obudowie ręcznej  (tzw. pistoletowej). Jest wyposażona  w wyświetlacz LCD, 6 przycisków menu oraz przycisk wyzwalania (tzw. trigger).

Komora na moduł wyładowczy pozwala na zainstalowanie modułu wyładowczego, który wsuwa się i blokuje. Komora na baterie (z tyłu, zamykana śrubą) może pomieścić 10 baterii AA, pozwalając na czas pracy do 8 godzin.

Jednostka główna jest wyposażona w następujące złącza:

• Złącze na kabel uziemienia 2 m 
• Złącze szeregowe (RS‑232) do zdalnego sterowania i oprogramowania.

Budowa wewnętrzna generatora składa się z następujących elementów:

• zasilacz niskonapięciowy i przetwornica wysokiego napięcia do 30 kV
• kondensator ładujący wbudowany w moduł — zazwyczaj 150 pF 
• obwód kształtujący impuls — rezystor szeregowy plus równoległy (standardowo 330 Ωo + 150 pF).
• przekaźnik wysokonapięciowy — wyzwala wyładowanie kontaktowe lub powietrzne
• kontrola napięcia i polaryzacji 
• automatyczne rozpoznawanie modułu — generator wykrywa, jaki moduł jest zainstalowany i dostosowuje menu oraz limity napięć.

4. Moduły wyładowań DM

W tabeli poniżej wyróżnione są podstawowe moduły wyładowań dla generatora ESD3000. Moduły różnią się parametrami pojemności, rezystancji oraz napięciami wyładowań, które są przystosowane do konkretnych aplikacji przemysłowych.

5. Głowice 

Głowice  dzielą się na dwie główne grupy: głowice do wyładowań kontaktowych, głowice do wyładowań powietrznych.

Głowice do wyładowań kontaktowych są zakończone ostrym końcem, który umożliwia dokładne przyłożenie głowicy w sposób punktowy w celu wyładowania ładunku elektrostatycznego.

Głowice do wyładowań powietrznych są zakończone okrągłym końcem, który symuluje ludzki palec, przez który następuje wyładowanie powietrzne  ładunku elektrostatycznego.

W tabeli poniżej wyróżnione są podstawowe głowice kontaktowe dla generatora ESD3000. Głowice różnią się geometrią, która pozwala na zastosowanie przy różnych rodzajach wyładowań.