Grosz Imre f. doc. Elektrosztatikus kisülések
Grosz Imre: Töltés károk
1
Villámcsapás és hatásai
A villám lényegileg egy nagyenergiájú elektrosztatikus kisülés, mely létrejöhet: Felhő-felhő Felhő és föld között
Grosz Imre: Töltés károk
2
Villám időbeli lefolyása UC 0,9UC 0,5UC 0,3UC
1,2μs 50μ s
Feszültség hullám 1,2/50μs
Vileskh.1. ábra. Egy átlagos villám feszültségének az időfüggvénye IC 0,9IC 0,5IC 8μ s 20μ s
Áram hullám 8/20μs
Vileskh.2. ábra. Egy átlagos villám áramának időfüggvénye Grosz Imre: Töltés károk
3
Villám kialakulása Szükséges térerő elérheti az 50kV/m értéket. A csúcsáram 1-100 kA között változik. Átlagban 10 kA körüli érték lép fel az ionizációs csatornában. A villám kialakulásának folyamata többfokozatú. Először egy kisebb áramerősségű úgynevezett elővillám alakul ki, mely létrehoz egy jól vezető ionizációs csatornát, mely részben plazma állapotú is lehet, és a fővillám ebben a csatornában az előző áramiránnyal ellentétesen alakul ki. Grosz Imre: Töltés károk
4
A villámcsapás hatásai
Közvetlen pusztítás, ahol végigfut a nagy áramerősség. Közvetett vagy távolhatás, ahol az Induktív és a Kapacitív csatoláson keresztül kialakult hatásait vesszük számba. Szétterjedési hatás, a földben szétfolyó áramok által keltett zavarok.
A kárenyhítés egyedüli módja a megelőzés Grosz Imre: Töltés károk
5
A szakterületünkön előforduló károkozások
Számítógéprendszerek leállása, meghibásodása, téves működése. Energetikai rendszerek, részben a védelem részeként történő leállása, megsérülése. Túlszámlázások kialakulása.
Grosz Imre: Töltés károk
6
Az egyes hatások által okozott károk (1)
Közvetlen villámcsapáskor a villámcsapást elszenvedett eszköz, vagy létesítmény teljes vagy részleges pusztulásával kell számolnunk. Szétterjedési zavarok: A földelőn elfolyó áram által keltett zavaró hatások. A földelő kialakításától, a talaj minőségétől (összetétel, nedvesség, vízáramlás) függően a villámhárítótól több száz méterre lévő épületek belsejében is okozhat zavarokat. Elsősorban a “sértett” elektronikus eszköz földelő rendszerén keresztül hat Grosz Imre: Töltés károk
7
Az egyes hatások által okozott károk (2)
Távolhatás következményei: (ezek és a megelőzésük a mi kompetenciánkba tartoznak): - Azonnali tönkremenetel: A térerő akkora, hogy átüt a félvezető szerkezet, vagy elég az IC-k bevezető szála. - Lappangó hibák keletkezése - Tárolók tartalmának megváltozása. A távolhatás hatókörzete elsődlegesen a villámcsapás behatolási pontjától néhány 10 méteres távolság, de a villámcsapás közelében elhaladó, a “sértett” berendezéssel kapcsolatban levő kábelek alkalmanként a hatást több száz méterre is közvetíthetik. Grosz Imre: Töltés károk
8
Villámcsapáshoz hasonló károkozó lökések keletkezhetnek
A közelben lévő energetikai berendezések kapcsolásakor. Pl. hegesztéskor a villámnál még meredekebb homlokú áram és feszültségugrások terjedhetnek az elektromos hálózaton. A hegesztő és hasonló berendezések kibocsátott zajára szigorú előírások vonatkoznak, ezeket azonban, (különösen házilagos kivitel esetén.) nem mindig tartják be. A villámcsapáshoz hasonló problémákat okozhatnak az úgynevezett szabadon terjedő terek is. Ilyen, pl. a maghasítás, vagy egyesítés is. Grosz Imre: Töltés károk
9
A villámcsapás és hatásai elleni védelem
“Nagyfeszültség” elleni védelmek: Villámhárító rendszer A főbb védelmi elemek: - A védendő rendszer földelése legalább 2, de lehetőleg több földeléssel. - Potenciál kiegyenlítő rendszer. - Az egyes készülékek és készülékcsoportok finomvédelmének biztosítása. Grosz Imre: Töltés károk
10
Energetikai hálózaton terjedő nem kívánatos túlfeszültségek elleni védelem:
A védelem megoldása többfokozatú – Először a nagyfeszültséget kell csökkenteni, és az ebből adódó nagy túláramot kell levezetni a földbe. Az első fokozatban ezt szikraközök biztosítják. -- A második lépcsőben használatos elektromos túlfeszültség levezetők, a Varisztorok -- Az utolsó védelmi fokozat gyors elektronikus kapcsolású félvezetőből felépített eszköz (pl. Bunzisztor) Grosz Imre: Töltés károk
11
Varisztor rajzjele és a működési karakterisztikája
A betűk jelentései: A = Szivárgási áram B = Védőszint U[V]
A
10-5
B
10-3
10-0
103
105 I[A]
Grosz Imre: Töltés károk
12
Energetikai rendszer többfokozatú védelme I. fokozat
V(V2)
II. fokozat V(V3)
2
F
3
3
V2
4 V3
16 q vezeték I>10m
0
III. fokozat V(V4)
1,5 q vezeték I>10m
0
Grosz Imre: Töltés károk
0
13
Kisfeszültségű energetikai hálózat megkívánta feszültségnél kisebb szinten működő védelmi eszközök
Ezek az eszközök alapvetően a belső kábeleken (helyi hálózat) és a telefonvonalakon kialakuló túlfeszültségek levezetésére szolgálnak. Tipikus megszólalási feszültségük 70 V. Ezek az eszközök látják el az érzékeny elektronikus központok, illetve a fax berendezések védelmét. Az épületek közötti hálózatoknál és a távoli átviteleknél megszünteti a villámcsapásra való érzékenységet a fényvezető kábelek használata Grosz Imre: Töltés károk
14
Félvezető túlfeszültség levezető elem a Szuppressor-dióda, és működési karakterisztikája I[A]
UC UB UR
U[V] UR UB UC
Grosz Imre: Töltés károk
15
Házon belüli elosztóba szerelhető többfokozatú védelem felépítése ΔU
IN
UG
ΔU
UV
Grosz Imre: Töltés károk
US OUT
16
Védelmi rendszerek
A villámcsapásból eredő túlfeszültség elleni védelemnek többfajta megoldási elvű, azonos hatékonyságú rendszere létezik. Fontos! A különböző rendszereket keverni NEM szabad. Vagyis egy telepítési helyen egy gyártó teljes rendszerét kell használni. Szükség esetén csak vele teljesen kompatibilissel szabad kiváltani. A gyártók megadják, hogy rendszerük melyik védelmi rendszernek felel meg. Grosz Imre: Töltés károk
17
Nagy áramok által keltett terek elleni védelem
A védelem alapelve a várható terektől való elhatárolás, az előre látó geometriai elhelyezés. A kábelezésünket vezessük a villámhárítóra, vagy az ismert nagyáramú vezetékre merőlegesen. Helyezzük el tőlük a lehető legtávolabb. Berendezéseink elhelyezésénél is kövessük ezt az elhelyezési rendet. A földelések kialakításánál ügyeljünk, hogy a berendezéseink földelései ne kerüljenek bele a villámhárító földelés potenciálterébe. Ismert, villám által sűrűn látogatott helyekre lehetőleg ne telepítsünk elektronikus eszközöket.
Grosz Imre: Töltés károk
18
Statikus kisülés és feltöltődés elleni védelem. A statikus feltöltődés kialakulhat: - A dolgozó ruházatán, a munkavégzéshez szükséges mozgásokból. Műszál és gyapjú anyag különösen hajlamos a feltöltődésre. - Szigetelőanyagból lévő forgó alkatrészek, pl. ventilátor hatására. - Szigetelő burkolatú vezetékek mozgatásakor. - Nagyenergiájú elektronok terében lévő nem földelt tárgyon. Pl. hűtőborda a képcső közelében. - Klasszikus eset Transzmissziós szíjak mozgása. - A statikus feltöltődés kialakulását elősegíti a száraz, 40 %nál alacsonyabb relatív páratartalom.
Grosz Imre: Töltés károk
19
A sztatikus feltöltődésből adódó jelenségek és a főbb védelmi intézkedések
Szabadon lévő bemeneteket már egy kisebb elektrosztatikus töltés vezérelni képes Digitális áramkörök bármely bemenetét szabadon (vezéreletlenül) hagyni TILOS, mindig egyértelmű, a működést lehetővé tevő szintre kell kötni A szabadon lévő bemenet - nagyobb tér hatására - a kis kapacitás miatt olyan nagy feszültség értékre töltődhetne fel, hogy a szerkezetét alkotó szigetelés átütne, és az eszköz tönkremenne. Grosz Imre: Töltés károk
20
Feltöltődés elleni védelem
Minden korszerű MOS eszköz bejáratán, van a feltöltődést megakadályozó védőkapcsolás, de ez alapvetően a beépített áramkörnél tud védeni. Szállítás és szerelés során az áramkörök veszélyeztetve vannak, elsősorban az őket kezelő dolgozókon felhalmozódó töltésektől. Valamint a minden csomagolóanyagon és szerszámon meglévő töltéstől. Ezért a csomagolásokat, a feltöltődést megakadályozóra kell kialakítani. Grosz Imre: Töltés károk
21
Egyéb védelmi megoldások (1)
Hűtőbordák földelése. Ventilátorok földelése. Teljes körűen zárt, egymással jó vezetőképességű összeköttetéssel összekötött, földelt fémdoboz használata. Az együttműködő berendezések árnyékolását össze kell kötni, és egyetlen helyen szabad földelni. Az összekötést, egyéb (EMC) okból a belépéshez lehető legközelebb kell biztosítani..
Grosz Imre: Töltés károk
22
Egyéb védelmi megoldások (2)
Műanyag dobozok esetén az árnyékolást a műanyagba fröccsöntött fémhálóval (ami a szilárdságot is többnyire előnyösen javítja) vagy a felületek fémezésével, pl. fémszórással kell biztosítani Műanyag szigetelésű vezetékek feltöltődés elleni védelmére egyre inkább használatos a “vezető műanyag” burkolat használata. A kábelek készülékbe lépésénél szükséges a vezető csatlakozás használata. Erre hasított “vezető műanyag”, vagy vezető gumi” lemezekből, vagy fémezett szövetből kialakított függönyszerű elrendezés ajánlható. Grosz Imre: Töltés károk
23
Egyéb védelmi megoldások (3)
Az árnyékolást biztosító védőföldet a logikai földel galvanikusan összekötni nem szabad. Közöttük az esetleges töltődések (és kisülések) elkerülésére kapacitív összeköttetést kell biztosítani. A kapacitás értékének megválasztásánál figyelemmel kell lenni az életvédelmi előírásokra. A kapacitás szivárgó árama 240 V-s 50 Hz-es hálózatnál nem haladhatja meg a szabványban megengedett 60 μA-nál nagyobb értéket. Grosz Imre: Töltés károk
24
A használati helyiségekben kialakítandó védelmek:
Antisztatizáló lábtörlő a helyiségek bejáratánál. “Vezető műanyagból” kialakított padlózat. Antisztatikus bútorzat. Antisztatikus ruházat használata. Páratartalom megfelelő szinten (40 –80%) tartása.
Grosz Imre: Töltés károk
25
Antisztatikus munkahely kialakítása A személyeknél levõ föld "strap" R
ESD védett tálcák, stb.
ESD védett tábla tetõ IONIZÁLÓ
R
Szék földcsatlakozással (opcionális) R R
ESD védett padló (opcionális)
MÁS ELEKTRONIKUS BERENDEZÉS
MUNKA TERÜLET
Épület padló föld R=1 MEGOHM +/- 10% 1/2W
Grosz Imre: Töltés károk
26
Elektrosztatikus kisülés hatásai
A felhalmozódott töltés kisülésekor, amennyiben ha rombolási kárt nem is okoz (előzőekben leírt kialakítások ezt megakadályozzák), a létrejövő szikra elektromos terével károsan befolyásolhatja az elektronikus eszközök működését. Hatására meredek falú egyszeres lefutású zaj alakulhat ki. A tároló elemek különböző módon megváltoztathatják tartalmukat.
Grosz Imre: Töltés károk
27
A védelem főbb szempontjai
A zavar elleni védekezéshez elsődlegesen jó földelés és zárt árnyékoló rendszer kialakítása szükséges. Mivel az elektrosztatikus kisülés hatása lényegileg megegyezik a testvérbáty, a villámcsapás hatásaival az ott elmondottak egy része ide is érvényes. Mindenesetre a legjobb védekezés, az előzőekben leírt antisztatikus munkahely, és környezet kialakítása, vagyis a feltöltődés megakadályozása.
Grosz Imre: Töltés károk
28
Kisülésállóság vizsgálata
Az elektrosztatikus kisülés elleni védelem ellenőrzéséhez a vizsgálandó eszközt működése közben szikrakisülésnek kell kitenni, és meg kell figyelni a viselkedését. A használatos kisütést 3,5-7 kV-ra feltöltött elektródának a berendezésünk fémrészeihez való kisütésével kell vizsgálni, miközben a vizsgált berendezést üzemszerűen kell használni. Pl. számítógépen terhelésvizsgálathoz használt és egyéb, többnyire felhasználói programokat kell futtatni. A kisütések alatt a berendezésnek kifogástalanul kell működnie. Hibajelzés és téves működés nem fordulhat elő Grosz Imre: Töltés károk
29
