Az elektrosztatikus kisülés (ESD) nemcsak apró bosszúságot, hanem súlyos ipari baleseteket is okozhat. A feltöltődés forrásai, az emberi testre gyakorolt élettani hatások és a szabványok által előírt védelmi intézkedések ismerete kulcsfontosságú a megelőzésben.
Az elektrosztatikus feltöltődés és az ennek következtében létrejött elektrosztatikus kisülés az egyik legnagyobb probléma az iparban és a mindennapi életben. Egy elektrosztatikus kisülés legtöbbször teljesen észrevétlenül múlik el, vagy egyszerűen csak kellemetlenséget okoz, de a sztatikus elektromosság veszélyes helyzetet is előidézhet. Egy elektrosztatikus feltöltődés önmagában veszélyt nem jelent, csak egy elektrosztatikus feltöltődés által előidézett elektrosztatikus kisülés okoz károsodást az elektronikai alkatrészekben, előidézhet tüzet vagy robbanást, elektrosztatikus sokkot okozhat egy emberben. Az elektrosztatikus kisülés kialakulása függ a feltöltődés nagyságától, a feltöltődött tárgy vagy személy térbeli elhelyezkedésétől, a feltöltődött tárgy vagy személy környezetében lévő tárgyaktól, valamint ezek elektrosztatikus feltöltöttségétől. Elektrosztatikus kisülés létrejöhet egy gázközegen keresztül vagy közvetlen érintkezéssel. Mindkét esetben a kisülési folyamat alatt egy nagy csúcsértékű tranziens áram keletkezik. A gázközegen kialakult elektrosztatikus kisülés szikraképződéssel járhat.
Az elektrosztatikus kisülés által okozott veszélyek a következők:
- elektrosztatikus sokk az emberekben más veszéllyel kombinálva (pl. egy tárgy leejtése);
- elektronikai alkatrészek sérülése, tönkremenetele;
- gyúlékony légkör gyulladása és/vagy robbanása.
Ezenkívül a feltöltődött tárgyak között létrejött elektrosztatikus erőhatás működési problémákat okozhat a gyártási és kezelési folyamatok során, pl. a tárgyak egymáshoz tapadását okozva vagy por vonzásával.
Az elektrosztatikus feltöltődés okai a következők:
a) triboelektromos feltöltődés érintkezés utáni szétválasztódással, pl. szállítószalagok, műanyag fólia stb. mozgása görgőkön, személyek mozgása;
A triboelektromos feltöltődés nagysága a következő tényezőktől függ:
- – Az anyagok tulajdonságaitól, fajlagos ellenállás, kontaktpotenciál, elektronaffinitás, a
- szétválasztott anyagok elhelyezkedése a triboelektromos sorban. Nagyobb fajlagos
- ellenállású anyagoknál kisebb a töltések visszaáramlásának lehetősége.
- – Az érintkező felületek mérete és energiaállapota.
- – Felületi érdesség. Az érdesebb felületek kevesebb pontban érintkeznek egymással, ezért
- kevésbé tudnak feltöltődni.
- – Az anyagok szétválasztásának a sebessége. A sebesség növelésével csökken a
- visszaáramlott töltésmennyiség.
- – Környezeti paraméterek, hőmérséklet, páratartalom
b) külső elektromos tér hatására létrejött töltésszétválasztódás a testekben, influencia jelenség;
c) mechanikai hatások következtében létrejött feltöltődés, pl. dörzsölés, darabolás, nyomás;
d) folyadékok, gázok vagy porok áramlása, permetek előállítása;
A részecskék ütközése és szétválasztódása következtében triboelektromos feltöltődés jön létre.
e) egyéb jelenségek, pl. hőemisszió, halmazállapotváltozás, nagyfeszültségű kisülések.
A mindennapi életben mindig keletkeznek töltések anélkül, hogy ezt befolyásolni tudnánk. Ha egy tárgyat leteszünk egy asztalra, akkor mind a tárgyban, mind az emberi testben töltések keletkeznek. A töltések mindaddig megmaradnak a tárgyakban, amíg a tárgyakat körülvevő közeg (itt az asztal) szigetelőanyag. Ha a tárgy vezetőanyaggal érintkezik, a töltések a vezetőn keresztül kiegyenlítődnek, ezáltal a vezetőben is többlettöltések keletkeznek. Földelt vezető esetén a töltések a föld felé levezetődnek.
Az elektrosztatikus töltés felhalmozódása veszélyeket és problémákat okozhat számos iparágban és munkakörnyezetben, valamint gyulladási és robbanásveszélyt, különösen a vegyiparban (műanyagok előállítása), a gyógyszeriparban, a textiliparban, a kőolaj- és az élelmiszer-feldolgozóiparban.
Elektrosztatikus sokk
Az emberek elektrosztatikus feltöltődésének alapvetően két oka van: az egyik a szétválasztódással történő triboelektromos feltöltődés, a másik az influencia jelenség, azaz egy feltöltődött tárgy közelében lévő személyben töltésszétválasztódás jön létre. Ha az ember mozgása során bőre és ruházata egymással dörzsölődik, akkor teste szétválasztódással feltöltődik. Egy műszálas pulóver levetésekor az emberi testben és a pulóverben is töltések keletkeznek. Az emberi test feltöltődése a műszálas pulóver levetésekor látható WT 5000 műszerrel mérve, levezetőképes padlón, levezetőképes cipőben:
Az emberi test feltöltődése elérte az 5000 V-ot. A műszálas pulóver feltöltődése a pulóver levetésekor EFM 51 műszerrel mérve −560 kV/m. Az emberi test kapacitása 150 pF, egy nagyobb fémtárgy közelében létrejött kisülés energiája 3,75 mJ, amely az emberi testben fájdalomérzést okoz. A 3,75 mJ kisülésnél létrejött szikraképződés már gyújtóképes. A szikrakisülés létrejöttét a fémtárgytól való távolság is meghatározza. A levegő átütési szilárdságát 21 kV/cm-rel számolva az emberi kéz és a fémtárgy között 2,4 mm-en belül jöhet létre átütés, szikraképződés. A levetett pulóver közelében fojtott szikrakisülés (kefekisülés) jöhet létre egy vezetőképes tárgy közelítésekor.
Az emberek feltöltődésének másik oka az influencia jelenség. Ha az ember szigetelő talpú cipőben egy feltöltött tárgy közelébe megy, pl. stretch fóliával betekert ládák közelébe, az emberi testben töltésszétválasztódás jön létre. Ha a stretch fólia pozitív töltésű, akkor az emberi test stretch fólia felé néző részén negatív töltések, az ellenkező oldalon pozitív töltések keletkeznek. A töltések szétválasztódását az emberi testben folyó eltolási áram hozza létre.
A stretch fólia feltöltődése MV nagyságú is lehet, ezért méteren belül is létrejöhet az emberi test és a stretch fólia közötti kisülés.
Egy műanyag padlón szigetelő talpú cipővel járva az emberi testben több ezer voltos feltöltődés keletkezik, még akkor is, ha az ember közelében nincs feltöltődött tárgy.
A cipő talpa és a padló között a cipő felemelésekor, szétválasztódáskor töltések keletkeznek. A cipő talpa szigetelőanyag, amely nagy ellenállása következtében megakadályozza a töltések átvezetését az emberi testbe. Az emberi test jó vezető, ezért a cipőtalp feltöltődésének hatására az emberi testben töltésszétválasztódás jön létre, működik az influencia jelenség. Az ember talpában a cipőtalp feltöltődésével ellenkező polaritású töltések keletkeznek. Az ember felső részén, így a kézben is a cipőtalp feltöltődésével azonos polaritású töltések keletkeznek, amelyeket lépésfeszültség vizsgálattal (walking test) mérni tudunk.
Az emberek elektrosztatikus kisülésre való érzékenysége függ az emberi testben felhalmozódott töltések potenciáljától. Az elektrosztatikus kisülés 3 kV felett már érezhető. 7 kV-nál az emberek erős zsibbadást és fájdalmat éreznek az ujjakban és a tenyéren. 12 kV erős áramütést okoz az emberi testben. 1 MV-os kisülés (pl. egy villám) az emberek halálát is okozhatja.
A fentiek alapján egy elektrosztatikus kisülés az emberi testen keresztül kétféleképpen jöhet létre: az emberi test feltöltődése, valamint az ember közelében lévő feltöltődött tárgy miatt. A legrosszabb feszültség, amelyet az emberek normál környezeti feltételek mellett felvehetnek, az körülbelül 20 kV. Az emberi test 150 pF-os kapacitásával számolva a maximálisan tárolt energia körülbelül 30 mJ. Az emberi bőr kiloohmos ellenállása miatt ennek az energiának kb. harmada hozhat létre kisülési áramot. Emiatt az emberi testből származó kisülések, szikraképződések maximális gyújtási energiája 10 mJ. Ennél jóval magasabb gyújtási energiájú szikraképződés jöhet létre az ember környezetében lévő magasan feltöltődött tárgyból.
A gyúlékony légkörben tartózkodó embereken az elektrosztatikus kisülést, és az ennek következtében létrejött szikraképződést meg kell akadályozni. Ez úgy érhető el, ha az emberi testben keletkező töltéseket földeléssel levezetjük, és az ember környezetéből a feltöltődött tárgyakat eltávolítjuk.
Az emberi testet vezető vagy levezetőképes anyagokat össze kell kötni a földdel, illetve a földelési csatlakozóval. Egy fix munkahelyen az emberek földelése földelési csatlakozóval (spirál kábel) ellátott csuklópánttal valósítható meg. Azokon a területeken, ahol az embernek mozogni, járni kell, a töltések levezetése a cipő talpán és a padlón keresztül történik a föld felé. Az IEC TR 61340-5-2:2018 szabvány 4. ábrája szerint az emberi test feltöltődése 100 V alatt tartható, ha az ember földelési levezető ellenállása <35 MOhm. Az MSZ CLC/TR 60079-32-1:2019 szabvány szerint disszipatív lábbelin és vezetőképes padlón keresztüli földelési ellenállásnak 100 kOhm és 100 MOhm között kell lennie. Robbanásveszélyes anyagok kezelése esetén a lábbelin és a padlón keresztül a földelési levezető ellenállásnak 1 MOhm-nál kisebbnek kell lennie, vagy 150 kOhm-nál kisebbnek, ha a robbanóanyag meggyújtásához szükséges minimális szikraenergia kisebb vagy egyenlő, mint 1 mJ. A 100 kOhmos alsó határértéket az érintésvédelmi szabványok adják meg a padlókra, pl. az MSZ HD 60364-4-41:2018 szabvány C függelék 1.5 pontja. Az elektronikai alkatrészek elektrosztatikai védelmére vonatkozó IEC 61340-5-1:2016 szabvány szerint a legmagasabb megengedett ellenállás 1 GOhm.
A robbanásveszélyes területeken kerülni kell az ember közelében lévő tárgyak vagy berendezések veszélyes feltöltését. Ha a tárgyak földelt vezető vagy levezetőképes (konduktív vagy disszipatív) anyagokat tartalmaznak, elektrosztatikus kisülés, szikraképződés nem jöhet létre.
Problémát jelenthet az ember ruházata. Az emberi testtel érintkező levezetőképes (fém vagy karbon szálakat tartalmazó) ruhákban keletkező töltések az emberi testen keresztül levezetődnek, ha az ember cipőn, padlón keresztül megfelelően le van földelve. A kereskedelemben kapható, főleg műszálas ruhák magas feszültségre fel tudnak töltődni. A műszálas ruha külső részén keletkező töltések által létrejött elektromos tér erővonalainak egy része az emberi testen keresztül záródik az emberi testben lévő töltésszétválasztódás miatt (influencia), a többi része kívülre hat. A műszálas ruhák levezetőképes felső ruházattal (pl. köpennyel) leárnyékolhatók. A gyúlékony kisülések megelőzésére használt egyéni védőruházat vizsgálati módszereit és követelményeit az EN 1149 szabványsorozat tartalmazza.
Az EN 1149-5 szabvány szerint elektrosztatikusan disszipatív ruhaanyagnak meg kell felelnie az alábbi követelmények legalább egyikének:
⎯a töltéslevezetési idő t50 < 4 s vagy az árnyékolási tényező S > 0,2 az EN 1149-3:2004, 2. vizsgálati módszer (befolyásoló töltés) szerint tesztelve, vagy
⎯ a felületi ellenállás legalább egy felületen kisebb vagy egyenlő, mint 2,5 GOhm, az EN 1149-1:2006 szabvány szerint gyűrűs elektródával vizsgálva.
Az IEC 61340-5-1:2016 szabvány a ruhák ponttól-pontig ellenállására <100 GOhm határértéket ad meg. A ruhának szorosan kell illeszkednie testhez, amennyire csak lehetséges, és nem szabad levenni vagy külön bevinni és felvenni a gyúlékony légkört tartalmazó területre.
Elektronikai alkatrészek sérülése, tönkremenetele
Az elektrosztatikus kisülések károsíthatják vagy megsemmisíthetik az elektronikai alkatrészeket. A károsodást egyrészt az alkatrész környezetének feltöltődése okozhatja, másrészt magának az alkatrésznek a feltöltődéséből keletkezett kisülés. Az alkatrész környezetében lévő elektrosztatikusan feltöltődött emberek, tárgyak, gépek, berendezések az alkatrésszel történő közvetlen érintkezéssel vagy közvetlen érintkezés nélkül a feltöltődésük által létrejött elektromos tér, elektrosztatikus kisülés következtében okozhatják az alkatrészek károsodását. Az alkatrészek károsodásának megakadályozására hatékony védelmi intézkedések bevezetése csak úgy lehetséges, ha a különféle károsodások mechanizmusa ismertté válik, ezek az esetek szabványosított vizsgálatokkal modellezhetőek.
A legrégebbi és legelterjedtebb modell a HBM modell (Human Body Model), amely az emberi test feltöltődésének hatását vizsgálja az elektronikai alkatrészekre. Az emberi test max. 40 kV feszültségre képes feltöltődni. Ha a feltöltődött személy hozzáér egy IC kivezetéséhez, amelynek egy másik kivezetése le van földelve, akkor a kézből töltések áramolnak az IC-n keresztül a föld felé, és az így keletkezett áram károsíthatja az alkatrészt.
A CDM (Charge Device Model) modell egy feltöltődött alkatrész vezetőanyaggal való érintkezését modellezi, például egy gyártóberendezés fémrészével, ami le van földelve. Az alkatrészből a töltések hirtelen távoznak. A fémmel való érintkezéskor pár száz pikoszekundum időtartam alatt egy nagy csúcsértékű áram keletkezik, ami az alkatrészt károsíthatja.
Az FICDM (Field Induced Charge Device Model) modell esetében az alkatrész önmagában nincs feltöltődve. Az alkatrész közelében lévő feltöltődött tárgy által keletkezett elektromos tér hatására az alkatrész belsejében töltésszétválasztódás jön létre (influencia jelenség). Ha az alkatrész kivezetése a feltöltődött tárgy távolabbi oldalán hozzáér egy fémhez, akkor a CDM modellhez hasonló kisülés jön létre.
A HBM modell után Japánban kifejlesztették az MM (Machine Model, gépi modell) modellt. Az MM modell egy feltöltődött gépalkatrész kisülését vizsgálja egy félvezető alkatrészen keresztül a föld felé.
Az elektronikai alkatrészeknél, készülékeknél elektrosztatikus kisülés hatására háromféle hiba léphet fel.
– Adatkárosodás. Adathordozóknál (pl. számítógép) adatok károsodhatnak, elveszhetnek, a program is leállhat.
– Az alkatrészek előkárosodása; látens hiba. Az alkatrészt egy vagy több elektrosztatikus kisülés éri, amely az alkatrész károsodási küszöbe alatt van. Az alkatrész továbbra is működik, az alkatrész kiesése később az üzemeltetése alatt következhet be.
– Az alkatrészek károsodása; totál kiesés. Elektrosztatikus kisülés következtében az alkatrész nem tölti be funkcióját, tönkremegy. A kiesések okai bipoláris alkatrészeknél pn átmenet megolvadása, MOS alkatrészeknél dielektromos átütés a SiO2 gateoxid rétegen keresztül.
Az elektrosztatikus kisülés (angol rövidítése ESD) miatti károsodások megelőzésére követelményeket kell meghatározni az elektronika gyártási folyamatában. A követelményeket a nemzetközi (IEC 61340-5-1) és az amerikai (ANSI ESD S20.20) szabványok tartalmazzák. A szabványok azokra az alkatrészekre érvényesek, amelyek feszültségszilárdsága a HBM modell szerint ≥100 V, a CDM modell szerint ≥200 V és szigetelt vezetőknél ≥35 V. A szabványok személyi, szervezési és műszaki követelményeket határoznak meg. Előírják a gyártásban az ESD-re védett terület, EPA (ESD protected area) terület kialakítását. Az EPA területre belépő összes személynek ESD-re megfelelő lábbelit és munkaruhát kell hordani. Az EPA területen kialakított padlónak levezetőképesnek kell lennie, biztosítani kell az emberekben keletkező töltések levezetését. Minden, a gyártáshoz nem szükséges tárgyat, szigetelőanyagot az EPA területre bevinni nem szabad. Az alkatrészekkel érintkező felületek ponttól-pontig ellenállásának 10 kOhm és 1 GOhm között kell lenni. Az elektronikai alkatrészek kivezetéseinek fémhez való érintkezését meg kell akadályozni. Az EPA területen lévő tárgyakat, munkahelyeket, berendezéseket, padlót földeléssel azonos potenciálra kell hozni.
Elektronikai termékeket gyártó cég vezetésének ki kell nevezni egy ESD koordinátort, akinek a feladata az ESD, EOS (elektromos túlterhelés) védőintézkedések kialakítása. Az ESD koordinátor ESD veszély esetén leállíthatja a gyártást is. Például áramkimaradás után a Minion2 ionizátorok tápegységének tönkremenetelekor a hiba kijavításáig a gyártás leállítására volt szükség.
Gyúlékony légkör gyulladása és/vagy robbanása
Gyúlékony gázok, gőzök, ködök vagy felkavart porok és levegő vagy más oxidálószer keveréke gyulladás- és robbanásveszélyes keveréket, légkört alkot. Egy elektrosztatikus kisülés miatt keletkező szikra ebben a légkörben gyújtóforrássá válhat. A robbanásveszélyes légkör begyulladásának megelőzése érdekében a robbanásveszélyes területen az elektrosztatikus feltöltődések alacsony szinten való tartása, a keletkező töltések levezetése szükséges. A gyújtóforrásként figyelembe veendő kisülések megakadályozására az alábbi lehetőségek adódnak:
- – a robbanásveszélyes területen lévő tárgyak, berendezések vezető- és levezetőképes anyagokból való felépítése
- – levezetőképes földelt padlóburkolatok vagy padlólapok alkalmazása
- – a tárgyaknak, berendezéseknek földelése, egyenpotenciálra hozása: A potenciálkiegyenlítést
- a berendezés összes vezető- és levezetőképes alkatrésze között létre kell hozni.
- – a területen tartózkodó személyek felszerelése levezetőképes lábbeli és levezetőképes, árnyékolóképes felső ruházat
- – Az elektrosztatikus kisülés energiatartalma nem haladhatja meg a robbanásveszélyes közeg minimális gyújtási energiáját (mJ-ban).
Elektromos szikra elektrosztatikus kisülésen kívül is keletkezhet, pl. kapcsolók érintkezői között, kommutátor és szénkefe között.
Az összes tárgynak, berendezésnek, személyi felszerelésnek, amelyek elektronikai gyártó területre, valamint robbanásveszélyes területre bekerülhetnek, meg kell felelniük az elektrosztatikus kisülések megakadályozására szolgáló követelményeknek. A követelmények betartásának ellenőrzésére méréseket kell alkalmazni. Termékminősítési, mérési eljárásokkal kell bizonyítani, hogy a termék teljesíti a szabványokban megadott követelményeket. Egyes anyagok idővel megváltoztathatják a tulajdonságukat (pl. ruhák a mosások után), ezért időszakonként a megfelelőségi felülvizsgálatot el kell végezni.
SZERZŐ: Maczkó László
Ha érdekli az elektrosztatikus feltöltődés és a robbanásveszélyes közegek kapcsolata, ajánljuk a tűzvédelmi műszaki irányelvek változásait bemutató cikkeinket is, különösen a villámvédelemről és az elektrosztatikus feltöltődés elleni védelemről szóló írásokat a Magyar Építéstechnikán.
