Sähköstaattinen purkaus

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Sähköstaattinen purkaus[1] (engl. Electrostatic discharge[2][1], ESD[2][1][3]) eli staattisen sähkön purkaus[2][3] on staattisen sähkövarauksen purkautumisilmiö. Riittävän suuren varauksen nopea siirtyminen saattaa näkyä pienenä kipinäpurkauksena ja sen voi tuntea, kun se tapahtuu esimerkiksi sormenpäässä.

Ilmiöstä voidaan käyttää myös nimitystä "kipinäpurkaus", mutta kipinöintiä esiintyy muihinkin sähköisiin ilmiöihin liittyen. Toisaaltaan sähköstaattinen varaus voi purkautua muutenkin kuin kipinänä.

Sähköstaattisen purkauksen synty[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Staattisia varauksia syntyy muun muassa materiaalien kontaktin, ionisaation tai johtumalla siirtyvien varausten kautta. Materiaalien välillä varauksia syntyy helposti nk. hankaussähkö-ilmiön takia. Varauksen syntyminen riippuu voimakkaasti materiaalien laadusta ja materiaalipareista. Varautumisominaisuuksien perusteella materiaalit voidaan laittaa järjestykseen, jota kutsutaan triboelektriseksi sarjaksi[4]. Mitä kauempana materiaalit sarjassa sijaitsevat, sitä voimakkaammin ne varautuvat. Staattinen sähkö voi varata ihmisen, koneen tai esineen helposti kilovolttien tasoiseen jännitteeseen. Varautumisen suuruuteen vaikuttavat mm. materiaalien kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet, epäpuhtaudet ja kosteus sekä kappaleiden välinen sijainti ja kontakti.

Staattinen varaus syntyy helposti eristeisiin, koska niissä potentiaalierot eivät pääse tasoittumaan. Samassa kappaleessa voi olla erisuuruisia ja jopa eri merkkisiä varauksia. Eristeessä varaus voi säilyä pitkiä aikoja ja purkautuvat vasta pinnan epäpuhtauksien ja ympäristötekijöistä aiheutuvan johtumisen takia.

Ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Staattisen varauksen purkautuminen kestää purkauspiirin resistanssista ja induktanssista riippuen alle nanosekunnista aina satoihin nanosekunteihin. Purkauksen hetkellinen virta voi olla varautuneen kappaleen kapasitanssista ja purkauspiiristä riippuen useita kymmeniä ampeereja. Varautuneiden laitteiden välillä purkautumisvirran huippu nousee helposti satoihin ampeereihin.

Ilman läpilyöntilujuus on noin 3 kV/mm[5], mutta jännitteen läpilyöntietäisyys riippuu vahvasti kappaleiden muodosta, joka vaikuttanee sähkökentän voimakkuuteen. Purkauskipinän pituudesta voi päätellä myös varausjännitteen suuruuden: esimerkiksi 2 mm kipinä syntyy noin 6 kV jännitteellä. Kuivalla pakkassäällä sopivissa keinokuituvaatteissa ihmisen varausjännite voi olla luokkaa 20 kV.

Vaikutukset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Purkautuvan varauksen ollessa riittävän suuri purkaus voi aiheuttaa näkyvän kipinän ja ESD saattaa sytyttää herkästi syttyviä aineita. Tästä on esimerkkinä pölyräjähdys.

Sähköstaattinen purkaus tuhoaa helposti puolijohdekomponentteja, koska hetkelliset jännite-, teho- ja virta-arvot ovat suuria. Purkaus voi aiheuttaa metallin sulamista, pn-liitoksen pettämisen tai ohuen oksidikerroksen tuhoutumisen. Vaikutukset komponenteille voidaan jakaa hetkellisiin toimintahäiriöihin, suoritusarvojen heikkenemiseen sekä pysyvään vikaantumiseen[6]. Vikojen havaitseminen komponenteissa voi olla vaikeaa, koska viat eivät välttämättä ilmaannu heti ja saattavat esiintyä vain tietyissä olosuhteissa. Vaurioitunut komponentti voi aiheuttaa myös järjestelmässä muiden osien vaurioitumisen[7].

ESD aiheuttaa myös hetkellisen voimakkaan sähkömagneettisen pulssin eli radiosignaalin. Tämän takia ESD:n lähellä olevien digitaalipiirien toiminta voi helposti häiriintyä.

ESD:ltä suojautuminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

ESD:ltä suojaamattoman laitteen tunnus
ESD-suojatun laitteen tunnus
ESD-maadoituspisteen tunnus

ESD:ltä suojautuminen esimerkiksi elektroniikka-alan työskentelyssä tapahtuu pääasiassa johtamalla staattiset varaukset hallitusti maadoituksen tai varausta poistavan materiaalin kautta sähköjärjestelmän maatasoon. Varausta poistavan materiaali tasoittaa varauksen kohtuullisessa ajassa, mutta ei kuitenkaan aiheuta haitallisia suurivirtaisia ja nopeita varauksien purkauksia. Varausta poistavan osittain johtavan materiaalin resistanssi on tyypillisesti 100 kΩ ja 1 GΩ välillä. Eristeiden pinta varautuu helposti ja aiheuttaa ympärilleen staattisen sähkökentän, joka puolestaan voi varata viereen tuotavan johteen. ESD-suojauksen periaatteena onkin poistaa eristävät materiaalit tai estää eristeestä lähtöisin olevan varausten kerääntyminen johtavan materiaalin avulla.

Varautumaton materiaali on erityismateriaaleilla käsitelty tai päällystetty, heikosti sähköä varaava materiaali. Ne eivät kuitenkaan rajoita energian siirtymistä materiaalin läpi.

Staattiselta sähköltä suojattu alue (ESD Protected Area, EPA[8]) pienentää sähkökenttien ja purkausten aiheuttamaa komponenttien vaurioitumisriskiä. Alueen EPA-maadoitusverkko on rakennettu siten, että nopeita potentiaalinmuutoksia ei pääse syntymään.

Henkilösuojaukseen on olemassa ESD-suojavarusteita, esimerkiksi megaohmin resistanssilla varustettuja maadoitusrannekkeita ja varausta poistavia jalkineita. Varausta poistavat jalkineet vaativat johtavan tai varausta poistavan lattiamateriaalin toimiakseen.

Laitteet voidaan suojata ESD:ltä tyypillisesti eristämällä tai maadoittamalla kosketeltavat osat. Laitteen sähköiset liitännät suojataan usein ESD suojakomponenteilla kuten ferriiteillä, aktiivikomponenteilla, diodikytkennöillä tai sarjavastuksella.

Tietokoneen sisäisiä komponentteja käsiteltäessä tulisi ottaa sähköstaattiset purkaukset huomioon, koska komponentteja ei yleensä ole erikseen ESD:ltä suojattu. Ihmiskeho on hyvä johdin, joten se kerää sähköisiä varauksia. Ennen tietokoneen sisäisiin osiin koskemista, varaus tulisi purkaa koskettamalla maadoitettua johtavaa pintaa, esimerkiksi tietokoneen metallirunkoa tai lämpöpatteria. Muita keinoja välttää staattisen varauksen syntyminen, on tehdä asennus seisten kovalla alustalla, sillä istuen staattinen varaus syntyy helpommin. Myös korut ja tietokoneen lisälaitteet on syytä poistaa. Asennusta ei myöskään ole syytä tehdä ukkosella.[9] [10]

ESD-ominaisuuksien testaaminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

ESD on osa laitteiden sähkömagneettista yhteensopivuutta (EMC). Tärkein laitteiden ESD-testistandardi Euroopassa on EN 61000-4-2. [11] Testeissä erotellaan purkaustapoina kontaktipurkaus ja ilmapurkaus[12].

ESD-pakkausmateriaaleja käsittelee standardi EN 61340-5-3[13].

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c Ylijännitesuojaus, Phoenix Contact
  2. a b c Staattisen sähkön vaarojen tunnistaminen ja hallinta prosessiteollisuudessa - Koulutusaineisto, Sanasto; Staha
  3. a b Staattisen sähkön purkauksen (ESD) suojaus, Nemko
  4. Fundamentals of Electrostatic Discharge, Part One—An Introduction to ESD / How Material Characteristics Affect Static Charge - Triboelectric Series; ESD Accosiation, 2010
  5. Dielectric Strength of Air; The Physics Factbook
  6. Fundamentals of Electrostatic Discharge, Part One—An Introduction to ESD / ESD Damage—How Devices Fail; ESD Association, 2010
  7. Types of ESD Damage
  8. Fundamentals of Electrostatic Discharge, Part Two—Principles of ESD Control / Basic Principles of Static Control; ESD Accosiation, 2010
  9. Computer Hope, ElectroStatic Discharge or ESD, 2013
  10. www.dell.com, Suojautuminen sähköstaattiselta purkaukselta, 2007
  11. SFS-standardit 2010, SESKO, sivu 15
  12. Electrostatic Discharge (ESD), MT-092, sivu 6; Analog Devices
  13. ESD-pakkausten vaatimukset ja luokittelu, SESKO, 2011

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tämä fysiikkaan liittyvä artikkeli on tynkä. Voit auttaa Wikipediaa laajentamalla artikkelia.