Rezumat Teza Liliana Bargan

UNIUNEA EUROPEAN GUVERNUL ROMNIEI MINISTERUL MUNCII, FAMILIEI I

PROTECIEI SOCIALE AMPOSDRU

Fondul Social European

POSDRU 2007-2013

Instrumente Structurale

2007-2013 OIPOSDRU UNIVERSITATEA TEHNIC

GHEORGHE ASACHI DIN IAI

UNIVERSITATEA TEHNIC GHEORGHE ASACHI DIN IAI

Facultatea de Inginerie Electric, Energetic i Informatic Aplicat

CERCETRI ASUPRA MSURRII

UNOR MRIMI ASOCIATE

FENOMENELOR ELECTROSTATICE

- REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT -

Conductor de doctorat:

Prof. Univ. Dr. Ing. Alexandru SLCEANU

Doctorand:

Ing. Liliana - Simona BARGAN (cs. POTORAC)

IAI - 2013

UNIUNEA EUROPEAN GUVERNUL ROMNIEI MINISTERUL MUNCII, FAMILIEI I

PROTECIEI SOCIALE AMPOSDRU

Fondul Social European

POSDRU 2007-2013

Instrumente Structurale

2007-2013 OIPOSDRU UNIVERSITATEA TEHNIC

GHEORGHE ASACHI DIN IAI

Teza de doctorat a fost realizat cu sprijinul financiar al proiectului

Burse Doctorale pentru Performana n Cercetare la Nivel European

(EURODOC).

Proiectul Burse Doctorale pentru Performana n Cercetare la Nivel

European (EURODOC), POSDRU/88/1.5/S/59410, ID 59410, este un

proiect strategic care are ca obiectiv general Dezvoltarea capitalului uman

pentru cercetare prin programe doctorale pentru mbuntirea participrii,

creterii atractivitii i motivaiei pentru cercetare. Dezvoltarea la nivel

european a tinerilor cercettori care s adopte o abordare interdisciplinar

n domeniul cercetrii, dezvoltrii i inovrii..

Proiect finanat n perioada 2009 - 2012.

Finanare proiect: 18.943.804,97 RON

Beneficiar: Universitatea Tehnic Gheorghe Asachi din Iai

Partener: Universitatea Babe Bolyai din Cluj-Napoca

Director proiect: Prof. univ. dr. ing. Mihaela-Luminia LUPU

Responsabil proiect partener: Prof. univ. dr. ing. Alexandru OZUNU

i

Mulumiri

Elaborarea i fundamentarea tiinific a unei teze de doctorat este posibil

numai cu condiia unei ndrumri tiinifice de calitate realizate cu profesionalism i a

unor condiii adecvate necesare desfurrii activitii de cercetare specifice temei

abordate.

Doresc s aduc mulumiri deosebite conductorului tiinific al tezei de doctorat

prof. univ. dr. Alexandru Slceanu, pentru tot sprijinul, ndrumarea acordat i sugestiile

de un real folos n elaborarea ntregii cercetri, pentru ncrederea i ajutorul oferit n

perfecionarea i motivarea mea.

Mulumesc distinilor refereni oficiali Prof. univ. dr. ing. Radu Munteanu,

Universitatea Tehnic din Cluj, Prof. univ. dr. ing. Costin Cepic, Universitatea

Tehnic din Bucureti, Prof. univ. dr. ing. Marcel Istrate, Prof. univ. dr. ing. Cristian

Foalu, Facultatea de Inginerie Electric, Energetic i Informatic Aplicat din Iai

pentru amabilitatea analizrii i evalurii obiectivelor tiinifice prezentate n aceast

lucrare.

Adresez mulumiri profesorilor din cadrul Laboratorului de Compatibilitate

Electromagnetic i ntregului colectiv din cadrul catedrei de Msurri Electrice i

Materiale Electrotehnice pentru ndrumrile acordate pe durata programului de

pregtire doctoral.

Gndurile mele de mulumire se ndreapt n mod egal i ctre colegii Oana

Neacu, Edi Lunc, Silviu Ursache, Oana Beniug, pentru ajutorul oferit i pentru

atmosfera propice activitii de cercetare creat n cadrul laboratorului.

O parte din cercetri s-au efectuat la Universitatea Tehnic din Bratislava,

Institutul de Inginerie Electric, sub ndrumarea prof. univ. dr. ing. Karol Kov cu

sprijinul proiectului Burse Doctorale pentru Performan n Cercetare la Nivel

European (EURODOC), POSDRU/88/1.5/S/59410, ID 59410. Pe aceast cale aduc

mulumiri colectivului de cercettori de la aceast universitate.

n mod categoric, finalizarea tezei de doctorat nu ar fi fost posibil fr ajutorul

i sprijinul familiei crora le mulumesc pentru nelegere i sprijin moral.

Autoarea,

Iai, 2013

ii

Cuprins

Introducere general

1. Capitolul 1 Fundamente i definiii ale principalelor mrimi ce

intervin n electrostatic

1.1. Cadrul general

1.2. Corpuri conductoare, izolatoare i disipative (antistatice)

1.3. Mrimile fundamentale: sarcina electric i cmpul generat

1.4. Interaciunea dintre sarcinile electrice. Fora lui Coulomb

1.5. Cmpul electric. Densitatea fluxului electric. Legea lui Gauss

1.6. Sarcina electric indus

1.7. Condensatorul electric - acumulator de sarcini electrice

1.8. Concluzii

2. Capitolul 2 Identificarea i controlul proceselor de ncrcare

descrcare electrostatic

2.1. ocul de nalt tensiune produs personalului uman

2.2. Cel mai mare pericol: explozia i/sau aprinderea unui amestec

inflamabil

2.3. Atracia prafului, a particulelor rezultate din uzur, a peliculelor

subiri

2.4. Strpungerea ireversibil a jonciunilor semiconductoare

2.5. Perturbarea funcionrii echipamentelor ITC complexe

2.6. Tehnici de identificare a cauzelor de natur electrostatic

2.7. Reguli de bun practic privind controlul acumulrilor

electrostatice

2.8. Concluzii, contribuii

3. Capitolul 3 Studii privind msurarea principalilor parametri

electrostatici

3.1. Cadrul general

3.2. Msurarea cmpului electric

3.2.1. Msurtor de cmp cu sond de inducie

3.2.2. Msurtor de cmp tip moric

3.3. Msurarea sarcinii

3.3.1. Cuca Faraday

3.3.2. Principiul msurrii sarcinii

3.4. Msurri ale proprietilor materialelor cu relevan electrostatic

3.4.1. Abordarea practic a determinrilor

3.4.2. Determinarea eficienei de ecranare


1/(1)

3/(5)

3/(5)

3/(6)

3/(7)

3/(8)

3/(9)

3/(13)

3/(14)

3/(17)

4/(19)

4/(20)

4/(21)

4/(22)

5/(23)

5/(23)

5/(24)

6/(25)

8/(28)

9/(29)

9/(29)

9/(30)

9/(31)

10/(32)

11/(37)

11/(37)

11/(38)

11/(39)

11/(40)

12/(42)

13/(43)

iii

4. Capitolul 4 Msurarea ncrcrii cu sarcin electric a corpului uman

4.1. Omul-eterna necunoscut

4.2. Modelul electrostatic clasic al corpului uman (MCU)

4.3. Metode de msurare a capacitaii corpului uman

4.3.1. Corpul omenesc - un conductor delimitat de o suprafa

echipotenial

4.3.2. Principiul divizorului de tensiune capacitiv

4.3.3. Principiul raportului constant, conservarea sarcinii

4.3.4. Principiul raportului constant, msurarea sarcinii cu

coulomb-metrul

4.3.5. Principiul capacimetrului din MMN (legea lui Ohm n

c.a.)

4.3.6. Principiul msurrii capacitii (sau rezistenei) pe baza

constantei de descrcare

4.4. Factori de eroare ce intervin n msurarea capacitii corpului uman

4.5. Metod de descompunere a capacitii electrice a corpului uman n

dou componente

4.6. Explicaie teoretic pentru o neconcordan constatat experimental

4.7. Influena valorilor reale ale parametrilor R-C ai corpului uman

asupra potenialului perturbator al impulsului DES

4.8. Concluzii i contribuii

5. Capitolul 5 Cercetri referitoare la msurarea, modelarea i simularea

impulsului de curent produs de o descrcare electrostatic

5.1. Aspecte privind msurarea impulsului de curent

5.1.1. Configuraia de testare

5.1.2. Calculul incertitudinilor de msurare

5.2. Aspecte privind modelarea i simularea impulsului de curent

5.3. Tehnici de msurare a cmpurilor electrice i magnetice asociate

impulsului de descrcare electrostatic

5.3.1. Msurarea tensiunilor induse de cmpul magnetic

5.3.2. Msurarea tensiunilor produse de cmpul electric


6. Capitolul 6 Concluzii, contribuii, dezvoltri viitoare

Bibliografie selectiv

15/(45)

15/(45)

15/(46)

16/(49)

17/(50)

18/(52)

19/(53)

20/(55)

24/(62)

24/(63)

25/(65)

26/(67)

27/(69)

28/(70)

34/(91)

36/(93)

36/(93)

36/(94)

36/(97)

39/(102)

50/(115)

51/(115)

58/(122)

61/(126)

62/(127)

65/(131)

Rezumatul tezei de doctorat pstreaz structura acesteia n ceea ce privete numerotarea

capitolelor, tabelelor, figurilor i a referinelor bibliografice.

Introducere general

1

Nu orice conteaz poate fi msurat i nu orice poate fi msurat, conteaz Albert Einstein

Cadrul general al studiilor privind acumulrile i descrcrile sarcinilor electrostatice

Complexitatea dezvoltrii industriale din ultimele decenii, cu utilizarea unor materiale avnd performane din ce n ce mai ridicate, a unor tehnologii din ce n ce mai complexe i a unor productiviti din ce n ce mai nalte, a impus i rezolvarea unor probleme speciale determinate de intensele procese de ncrcare-descrcare electrostatic, [Cepic, 2001], [Taylor, 1994], [Dangelmayer, 1999]. La prima vedere, energiile asociate acestor minuscule scntei sunt de asemenea minore, dar n contextul creterii exponeniale a densitilor de integrare dar i al

frecvenelor de lucru, energii mai mici dect J pot produce strpungeri ireversibile. n orice domeniu de activitate n care este utilizat electricitatea apar cmpuri electrice, magnetice sau electromagnetice, o consecin direct a prezenei sarcinilor electrice sau a deplasrii lor. Acumulrile de sarcin electric pot afecta funcionarea normal a unui produs datorit forelor de atracie sau respingere ce apar ntre componentele ncrcate electric, complementar cu posibilitatea apariiei unor descrcri electrice ntre elementele aflate la poteniale diferite, corp fa de alt corp sau fa de pmnt, [Tnsescu, 1967], [Luttgens, 1989], [Gju, 1984], [Golovanov, 2000].

n mod obinuit, descrcrile electrostatice sunt nsoite de importante perturbaii de nalt frecven (spectrul asociat unui front de cretere de ordinul nsec, care implic gradieni dI/dt de mega-amperi pe secund este foarte larg), care pot afecta sistemele i transmisiile de date, pot determina pagube n circuitele electrice i electronice (n special strpungeri, parial sau total ireversibile ale unor jonciuni semiconductoare).

Literatura de specialitate focalizat pe aceast chestiune este foarte variat, reflectnd preocuprile i cercetrile celor mai diferite colective, lucrnd n cercetare-dezvoltare, proiectare sau doar simpl utilizare [Chubb, 2006], [Mardiguian, 2009], [Hortopan, 1998], [Antoniu, 2002], [Neacu, 2009], [Ursache 2011], [More, 1973], [Masugi, 2003].

Aceste doar aparent insignifiante transferuri de sarcini electrice, erau responsabile n statisticile anului 2002 de 23% din defectele nregistrate la circuitele i dispozitivele semiconductoare. n ciuda msurilor ntreprinse la cele mai diferite nivele i etape ale vieii unui produs, ponderea defectelor datorate descrcrilor electrostatice a depit 35%. Este un procentaj cu importante repercusiuni economico-financiare (directe sau indirecte), care justific orice efort ntreprins n sensul controlului i reducerii acestui fenomen. Electricitatea static poate apare cnd dou materiale, aflate n contact, sunt separate mai rapid dect viteza cu care se pot mica sarcinile pe suprafeele materialelor astfel desprite. Se impun dou constatri fundamentale:

1. Materialele bune conductoare de electricitate disip sarcinile n exces pe ntreaga suprafa, evitnd acumulri periculoase.

2. Problematica acumulrilor de sarcini electrice este esenialmente limitat la suprafaa corpurilor, depinznd att de natura corpurilor ct i de starea suprafeelor lor.

Dac rezistivitatea de suprafa a corpului este prea mic, sarcinile electrice pot migra spre ultimul punct de contact, neutralizndu-se reciproc, cazul tipic al metalelor. Sarcinile n discuie se numesc electroSTATICE pentru c au mobilitate redus. La limit i metalele se pot ncrca electrostatic, dac sunt izolate din punct de vedere electric. Chiar dac sarcina se poate deplasa pe suprafaa metalului, ea nu va prsi n acest caz conductorul.

n esen, prin ncrcare static nu se produc sarcini, ele sunt doar separate ntre dou corpuri aflate n apropiere, dar ntre care nu exist contact electric.

Introducere general

2

n industrie, electricitatea static trebuie privit n balan dialectic, exist nenumrate situaii n care poate fi fundamental distructiv, compensate de foarte multe tehnologii moderne, n care nu poate fi nlocuit, [Manolic, 2011], [Stan, 2011], [Bc, 2011]. Electricitatea static poate fi folosit n transportul i meninerea unor particule pe o anumit suprafa, cazurile cele mai cunoscute fiind vopsirea n cmp electrostatic i foto-copierea electrostatic. Separarea electrostatic este un alt domeniu de aplicaii, completat cu utilizarea n meteorologie. Este important, n orice etap a vieii unui produs, pornind de la proiectare i terminnd cu reciclarea de dup casare, s gndim electrostatic, s tim cum, unde i de ce apar sarcinile statice, s le msurm parametrii semnificativi, pentru a le controla sau pentru a le folosi.

Totul n contextul mai larg al ambientului cotidian, care nseamn multe echipamente electrice, electronice i ITC, mult micare i, nu n cele din urm, muli oameni direct sau indirect implicai.

Un eveniment tip DES, de descrcare electrostatic prin mini-arc sau scnteie se produce ori de cte ori valoarea cmpului electric dintre dou corpuri (aflate la poteniale diferite), depete rigiditatea dielectric a mediului de separare. n majoritatea covritoare a situaiilor este vorba de aerul atmosferic, pentru care se accept valoarea orientativ de 37kV/cm, n condiii quasi-normale de presiune i temperatur.

Nu trebuie ns neglijat nici descrcarea prin contact, poate mai puin vizibil, dar mai des ntlnit (nu mai exist condiia restrictiv de 37kV/cm) i de aceea la fel de distructiv. Descrcarea electrostatic nseamn n esen un curent de scurt durat, dar cu gradient dI/dt foarte mare, fiind nsoit de cmp electric, magnetic i mai ales electromagnetic de band de frecvene foarte larg (chiar si peste 500 MHz), invers proporional cu timpul de cretere al curentului de descrcare, avnd valori de ordinul ns-100 ns. Lrgimea benzii este un argument pentru potenialul de cuplare i penetrare, mult mai greu de contracarat. Exceptnd cazuri limit (trsnete sau incendii), acumulrile de sarcini electrostatice i ulterioara lor descrcare nu deranjeaz n mod special operatorul uman, dar afecteaz (temporar, parial sau chiar ireversibil), dispozitivele electronice moderne.

Energia asociat unei descrcri uzuale este de ordinul mJ, aproape insesizabil de ctre om, dar suficient pentru a produce o strpungere (posibil ireversibil) ntr-un tranzistor sau circuit integrat. Mai deranjant este faptul c o mare parte din defectele ce survin sunt la nceput doar pariale, mult mai greu de depistat, afectnd treptat performanele dispozitivului, cu involuie ctre defect total ntr-o manier imprevizibil. Cu ct componenta (jonciunea) este mai mic, cu att energia necesar deteriorrii este mai redus. Statisticile internaionale raporteaz pierderi ale industriei electronice i a calculatoarelor de miliarde de dolari anual datorate distrugerilor provocate de descrcarea accidental a sarcinilor acumulate pe diferite echipamente sau pe operatorul uman. Att pentru controlarea cazurilor de acumulri electrostatice, dar i pentru optimizarea proceselor ce utilizeaz aceste fenomene electrostatice, este foarte important s putem face msurri corecte care s caracterizeze ct mai exact starea i evoluia sistemului, evitnd declanarea unor procese distructive.

Demersul este cu att mai sensibil cu ct tim c cel mai mare generator de ncrcri cu sarcini statice i apoi descrcri electrostatice asupra echipamentelor sensibile este OPERATORUL UMAN.

Experimentarea i dezvoltarea unor tehnici de msur ale principalelor mrimi ce intervin n procesele electrostatice, urmat de interpretarea i utilizarea rezultatelor furnizate este obiectivul central al cercetrilor ntreprinse n cadrul stagiului meu doctoral, cercetri prezentate sintetic n acest rezumat.

Capitolul 1 Fundamente i definiii ale principalelor mrimi ce intervin n electrostatic

3

Capitolul 1

Fundamente i definiii ale principalelor mrimi ce intervin n electrostatic

Acest capitol este o sintez proprie a elementelor fundamentale din electrostatic, realizat n urma unei vaste activiti de documentare bazat pe resurse bibliografice existente n biblioteca electronic dar i clasic din cadrul Laboratorului LIDES, dedicat studierii fenomenelor electrostatice, completat cu un numr considerabil de experimente practice derulate n acelai laborator.

Activitatea de cercetare i documentare efectuat cuprinde aspecte generale cu privire la fenomenele electrostatice. Astfel, au fost prezentate, pentru nceput, principalele concepte, mrimi, uniti i relaii fundamentale care stau la baza studiului acestor fenomene. Cunoaterea legilor i teoremelor ce caracterizeaz aceste fenomene este de maxim importan pentru a putea face studii n domeniul abordat n cadrul acestei lucrri.

Pentru a evita riscurile i problemele ce pot interveni n procesele industriale i n cercetrile de laborator, este necesar o cunoatere temeinic a energiei statice, ceea ce determin o predicie a eventualelor probleme i n consecin, influeneaz alegerea unor materiale sau modificarea unor procese tehnologice.

Pentru majoritatea conceptelor teoretice sintetizate n acest capitol, am realizat n Laboratorul LIDES i experimente, avnd fie caracter de validare practic, fie de aplicaie cu potenial tehnologic.

Capitolul 2 Identificarea i controlul proceselor de ncrcare - descrcare electrostatic

4

Capitolul 2

Identificarea i controlul proceselor de ncrcare - descrcare electrostatic

Exist o multitudine de domenii n industrie, laborator de cercetare sau doar via cotidian unde este probabil generarea electricitii statice.

Se impun dou discuii de principiu, dar i cu mare grad de concret: 1. Identificarea prin experiment i msurare, a valorilor energiei electrostatice care

ridic riscuri specifice sau care o fac utilizabil n aplicaii; 2. Cum asigurm echilibrul ntre reducerea riscurilor i utilizarea n aplicaii? Principalele probleme generate de electricitatea static se pot grupa n ase mari

categorii:

2.1 ocul de nalt tensiune produs personalului uman

Pentru energiile electrostatice care se acumuleaz uzual n procesele tehnologice, riscul vital este sczut, dar pot aprea pericole de accidentare datorit reaciei necontrolate pe care o poate avea un om atunci cnd devine cale a unei descrcri electrostatice.

O coresponden ntre energia asociat descrcrii electrostatice i tensiunea la care se gsete corpul uman, considernd corpul uman drept un condensator cu valoarea medie de 150 pF, coroborat cu efectele biologice resimite, este dat n tabelul 2.1.

Tabelul 2.1 - Efecte biologice ale descrcrilor electrostatice (de) pe corpul uman

Energia acumulat

[mJ]

Tensiunea echivalent

a corpului (kV)

Rspuns

1 3,65 Senzaie slab, abia perceptibil

10 11,55 oc clar resimit, controlabil

100 36,5 oc neplcut

De regul, pe corpul omenesc, prin frecare sau inducie, chiar i n cazul unui aer ambiental foarte uscat, nu se pot acumula sarcini statice mai mari de 5x10

-6 C, corespunztor unor tensiuni de maxim 30 kV, ceea ce nu reprezint, conform tabelului 2.1, pericol pentru un om sntos. [ICNIRP, 2003].

2.2 Cel mai mare pericol: explozia i/sau aprinderea unui amestec inflamabil

Riscul asociat cu energia static n medii inflamabile este n principal legat de energia care poate fi eliberat printr-o scnteie de descrcare ntre dou suprafee bune conductoare, valorile standard fiind prezentate n tabelul 2.2.

Tabel 2.2 - Energiile asociate unui miniarc electric stabilit ntr-un gaz aflat n apropierea unei suprafee conductoare

Hidrogen plan metalic 0,02 mJ

Vapori de hidrocarburi (gaz metan) plan metalic 0,2 mJ

Pulberi (dielectrice) - plan metalic 1 mJ

2.3 Atracia prafului, a particulelor rezultate din uzur, a peliculelor subiri

Dac un film, pelicul, subire trece peste o rol la viteze mari, se produc exfolieri sau desprinderi de pe o suprafa, exist o mare probabilitate ca acestea s fie puternic ncrcate electric. De asemenea, praful atmosferic poate fi ncrcat electrostatic datorit frecrilor,


5

complementar cu alte pulberi tehnologice sau particule de uzur care sunt, de obicei, purttoare de sarcini statice. Un subansamblu al echipamentului, conectat la pmnt, va atrage aceste elemente foarte fine (uoare), elemente care prin depunere, pot afecta estetica unui produs sau chiar buna funcionare a utilajului, cu repercusiuni asupra creterii gradului de uzur.

2.4 Strpungerea ireversibil a jonciunilor semiconductoare

Funcionarea unor dispozitive semiconductoare poate fi afectat, reversibil sau chiar ireversibil, n cazul unor descrcri electrostatice directe pe dispozitivul nsui, sau pe conductori ataai lui, inclusiv pe traseele de pe circuitul imprimat. [Nicu, 2012]. De asemenea, supratensiunile create de cmpuri electrice nalte pot distruge straturile subiri de izolaie ale componentelor.

Datorit miniaturizrii echipamentelor, coroborat cu creterea densitii de integrare i a frecvenelor de lucru, suprafaa elementului de baz, jonciunea semiconductoare, se micoreaz n permanen, ceea ce o face mai sensibil la strpungeri ce pot fi provocate de energii tot mai nesemnificative.

Mijloacele de protecie ale circuitelor integrate sunt tot mai rafinate, mergnd ctre soluii integrate, incluse n acelai cip cu circuitul util propriu-zis, fr ns a-i crete dimensiunile, consumul de la surs sau fr a-i afecta parametrii funcionali, n special viteza de rspuns.

2.5 Perturbarea funcionrii echipamentelor ITC complexe

Descrcrile electrostatice presupun cureni mari de pn la civa amperi, dar, ceea ce este i mai deranjant, cu un gradient de curent dI/dt foarte mare, timpul de cretere fiind de ordinul fraciunilor de nanosecund.

Un astfel de curent, stabilit chiar i printr-o inductan mic, poate determina supratensiuni care, la rndul lor, au potenial distructiv semnificativ:

dt

dILU (2.3)

De asemenea, banda de frecvene asociat unui astfel de front abrupt cresctor este practic invers proporional cu timpul de cretere tcr al impulsului de descrcare:

crtB

1 (2.4)

ceea ce nseamn un spectru foarte larg i, n consecin, penetrant, greu de oprit prin intermediul filtrrii.

2.6 Tehnici de identificare a cauzelor de natur electrostatic

Pentru a trata un efect, trebuie corect identificat cauza, iar costurile soluiilor adoptate trebuie raportate probabilistic la riscul potenial, fr a neglija monitorizarea eficienei msurilor adoptate.

O prim evaluare se refer la caracteristicile materialelor implicate n eventuala ncrcare-descrcare electrostatic:

poziionarea (relativ) n seria triboelectric (capacitatea de a elibera sau accepta electroni superficiali, datorit energiilor degajate prin frecare);

rezistivitatea (de suprafa sau chiar volum), cu efect direct asupra acumulrii (respectiv disiprii) sarcinilor generate;

permitivitatea dielectric (relativ); comportarea la incendiu, (dac este inflamabil sau mcar ntreine arderea).


6

O a doua evaluare trebuie s aib n vedere eventualele cuplaje ce pot aprea, cuplajul n cmp electric (capacitiv) fiind de maxim interes, trebuie identificai condensatoriiparazii ce se pot forma ntre diverse suprafee conductoare (armturi) aflate n vecintate, desprite prin diverse materiale dielectrice.

Drept principale surse de posibile perturbaii sunt cmpurile electrice asociate acumulrilor de sarcini, tensiunile de suprafa, forele electrostatice care pot atrage particulele sau filmele fine, descrcrile electrice care pot determina strpungeri ale jonciunilor sau chiar perturbaii electromagnetice, cauzate n principal de cmpurile electromagnetice asociate curenilor de descrcare, avnd un spectru foarte larg.

Exist trei nivele ale abordrilor privind efectele nedorite ale electrostaticii: a) Limitarea generrii i acumulrii de sarcini electrostatice; b) Oferirea de ci pentru disiparea sarcinilor totui acumulate; c) Protejarea, prin proiectare, a subansamblelor potenial sensibile la acumulri de

sarcini i la efectele lor. Este fundamental s se ajung la o evaluare a cantitilor de sarcini electrice, a forelor,

potenialelor, a energiei electrostatice, disponibile n raport cu operaiile i situaiile practice. n mod firesc, o abordare realist trebuie s in cont c electrostatica reprezint doar o

parte dintr-un ntreg sistem. Aspectele electrostaticii trebuie s fie privite n legtur cu muli ali factori colaterali. nelegerea problemelor cu privire la electrostatic este necesar, dar nu suficient pentru gsirea unei soluii. Astfel, problema poate fi de electrostatic, dar soluia s aparin altui domeniu; de exemplu, riscurile de aprindere ale gazelor atmosferice inflamabile prin descrcri electrostatice pot fi soluionate fie prin evitarea acumulrilor electrostatice, fie prin evitarea apariiei unei atmosfere inflamabile, asigurarea unei ventilaii eficiente. De asemenea, o scnteie care s aprind un amestec inflamabil poate avea i alte cauze dect prea des blamata descrcare static: nclziri prin frecare, ciocniri tip cremene i amnar.

2.7 Reguli de bun practic privind controlul acumulrilor electrostatice

Exist n vigoare peste 300 de standarde i norme, n mare parte cu aplicabilitate i acceptabilitate universal, avnd legtur direct cu electricitatea static. De asemenea, bazat pe aceste standarde i pe cercetrile i experiena n domeniu, sunt elaborate o serie de coduri de bune practici, centrate pe cele dou mari domenii unde pierderile i costurile aferente pot fi foarte mari, chiar ireparabile:

controlul i verificarea riscurilor electrostatice, n raport cu alte riscuri provocate de ocuri de manipulare mecanic, referitor la aprinderea gazelor inflamabile din industria petrochimic i minier;

controlul i verificarea riscurilor electrostatice n manipularea i utilizarea circuitelor i dispozitivelor semiconductoare, al ansamblurilor microelectronice.

Trebuie precizat c orict de bine ntocmit ar fi un cod de bune practici, el va acoperi majoritatea situaiilor obinuite de risc electrostatic, existnd i situaii particulare n care va interveni cu succes doar experiena i bunul sim ingineresc.

Toate aceste evaluri ale riscurilor trebuie s ia n calcul msurri ale rezistivitii, de suprafa sau chiar volum, pe baza crora corpul poate fi considerat conductor, izolator, sau un compromis bun ntre pericol de electrocutare i pericol de acumulare, aa numitele materiale disipative. n esen, rezistivitatea aceasta de suprafa reprezint calea cea mai la ndemn pentru migrarea (disiparea) sarcinilor electrice.

Umiditatea relativ joac un rol esenial n procesele de acumulare a sarcinilor electrostatice. Aerul umed este mult mai bun conductor dect aerul uscat, lucru ce influeneaz n mod direct timpul de descrcare al sarcinilor.

n figura 2.1 este prezentat variaia timpului de disipare a sarcinii n funcie de umiditate, pentru diverse esturi din bumbac i pentru hrtie.


7

FIG. 2.1 - Influena umiditii relative asupra timpului de disipare a sarcinilor, pentru diverse

materiale (diverse tipuri de hrtie sau bumbac)

n figura 2.2 este prezentat variaia capacitii de ncrcare n funcie de umiditate, n diferite modaliti, pentru materiale - esturi din bumbac i pentru hrtie.

Timpul de disipare a sarcinii pentru hrtia de calitate pare aproape constant n funcie de umiditate, n timp ce pentru hrtia de ziar i pentru esturile din bumbac este mai mare la valori reduse ale umiditii.

Explicaia const n realizarea unui echilibru ntre creterea mobilitii purttorilor de sarcin, dar i creterea ncrcrii de tip capacitiv, odat cu creterea umiditii relative.

FIG. 2.2 - Influena umiditii relative asupra capacitii de ncrcare, pentru diverse

materiale (diverse tipuri de hrtie, respectiv bumbac)

Att proiectantul ct i utilizatorul pot s-i asume unele soluii sau aciuni care trebuie s reduc riscurile electrostatice, cele mai uzuale fiind:


8

a). asigurarea unor ci de scurgere a sarcinilor n exces ctre pmnt, conexiuni la mpmntare, covor PVC anti-static, cu inserii de grafit, pantofi cu talp disipativ, umidificatori sau ionizatori;

b). reducerea generrii de sarcini statice reducerea frecrilor prin alunecare sau rostogolire, limitarea vitezei de scurgere, a eventual lichidului, utilizarea de vase de depozitare i transfer conductoare n locul celor din plastic;

c). creterea vitezei de scurgere, disipare, a sarcinilor prin alegerea sau modificarea materialelor pentru a avea caracteristici bune ale disiprii sarcinii, implicnd folosirea unor tratamente sau vopsiri de suprafa sau controlul umiditii;

d). instruirea personalului privind reducerea riscurilor legate de descrcarea electrostatic trebuie fcut periodic;

e). n locurile de mare risc, trebuie realizate incinte antistatice, semnalizate ca atare, n care acumularea de sarcini este strict controlat i, n consecin, foarte puin probabil.

2.8 Concluzii, contribuii

n acest capitol am realizat o sintez comparativ a situaiilor n care prezena acumulrilor de sarcini electrostatice n special, a forelor de natur coulombian n general, poate constitui cauz de perturbaii sau, din contr, soluie tehnologic.

Am ntocmit i apoi verificat practic o list a evalurilor cu rol determinant n identificarea unui potenial pericol electrostatic, bazate fie pe determinarea caracteristicilor materialelor implicate n eventuala ncrcare-descrcare electrostatic (poziionarea n seria triboelectric, rezistivitatea de suprafa sau chiar volum, cu efect direct asupra acumulrii (respectiv disiprii) sarcinilor generate, permitivitatea dielectric (relativ), respectiv comportarea la incendiu), fie pe evaluarea eventualelor cuplaje ce pot aprea, cuplajul n cmp electric (capacitiv) fiind de maxim interes, a condensatorilorparazii ce se pot forma ntre diverse suprafee conductoare (armturi) aflate n vecintate, desprite prin diverse materiale dielectrice.

Am finalizat o sintez i o grupare cu valoare metodologic a tehnicilor de reducere a efectelor distructive sau perturbative ale fenomenelor de natur electrostatic, ierarhizate pe limitarea generrii i acumulrii de sarcini electrostatice, apoi pe oferirea de ci pentru disiparea sarcinilor totui acumulate, pentru ca n final s formulez principalele soluii de proiectare pentru protejarea subansamblelor potenial sensibile la acumulri de sarcini i la efectele lor.

Am elaborat un set de reguli i recomandri clare ce trebuie aplicate i respectate n diverse momente ale ciclurilor de producie, utilizare i apoi reciclare privind cele dou situaii de maxim importan: controlul i diminuarea riscurilor electrostatice privind aprinderea gazelor inflamabile, complementar cu diminuarea riscurilor electrostatice n manipularea i utilizarea circuitelor i dispozitivelor semiconductoare, al ansamblurilor microelectronice.

Am realizat studiu teoretic, validat de determinri experimentale privind influena umiditii relative asupra timpului de disipare a sarcinilor, pentru diverse tipuri de hrtie sau material textil, complementat cu un studiu similar privind capacitatea de ncrcare (prin frecare sau inducie) a acelorai materiale, funcie de acelai parametru al umiditii relative a aerului.

Capitolul 3 Studii privind msurarea principalilor parametri electrostatici

9

Capitolul 3

Studii privind msurarea principalilor parametri electrostatici

3.1 Cadrul general

Dac poi msura un fenomen, n prima faz poi s-l nelegi, apoi l poi controla pentru ca pe final, s-l poi utiliza. Aceast aseriune general este pe deplin valabil i n studiul proceselor de acumulare de sarcini electrostatice.

Pentru a ti dac se genereaz sarcini, de la ce nivel apar efecte nedorite (sau utile), n ce msur metodele de limitare i control sunt eficiente, trebuie s msurm sarcinile electrice, direct sau prin efectele lor. [Antoniu, 1993], [Slceanu, 2005], [Slceanu, 2007], [Bargan, 2012].

Unele instrumente, din categoria clasicului electroscop cu foi de aur, sunt nc folosite n laboratoarele de cercetare. Eu mi-am concentrat atenia asupra realizrii unor instrumente mai simple, care s furnizeze informaii (cantitative dar i calitative) edificatoare asupra sarcinilor acumulate, dar care s fie relativ ieftine, astfel nct s fie accesibile i unor firme sau ntreprinderi care manifest doar interes colateral n controlul acumulrilor de sarcini electrice nedorite, s poat fi folosite i de non-specialiti, n industrie sau ntr-un laborator de cu totul alt profil.

O parte important a acestor msurtori ne ofer date despre caracteristicilor materialelor, despre comportarea lor din punct de vedere electrostatic.

3.2 Msurarea cmpului electric

n mod curent, sarcina poate fi msurat prin intermediul forelor de interaciune coulombiene sau, mult mai des, prin msurarea cmpului electric produs, cea mai practic modalitate de detectare, localizare i msurare a surselor de energie static i a efectelor acestora.

Msurarea cmpului electric ofer de asemenea baza pentru msurarea unor ali parametri de interes major n electrostatic tensiuni pe suprafee sau corpuri, (inclusiv corpul uman), densitatea de sarcin pe suprafee i volume, cantitatea net de sarcin de pe obiecte i proprietatea materialelor de a disipa energia static, coroborat cu rezistivitatea de suprafa i volum.

Cmpurile electrice pot fi msurate funcie de interaciunile mecanice de atracie sau respingere, dar aceast metod nu este foarte exact i necesit geometrii care s determine cmpuri electrice foarte uniforme.

Metoda cea mai rspndit n practic ar fi cea de msurare a sarcinii induse pe suprafaa senzitiv a unui instrument de msurare a cmpului.

Cmpul electric asociat unei distribuii de sarcin uniforme, garantat de o suprafa bun conductoare este dat de formula:

0

E (3.1)

unde: E este cmpul electric [V/m], este densitatea de sarcin (uniform) pe suprafaa bun conductoare [C/m

2], o este permitivitatea aerului, 8,854x10-12

[F/m]. Aceasta relaie st la baza tuturor instrumentelor de msurare a cmpului electric.

3.2.1 Msurtor de cmp cu sond de inducie

Cel mai simplu instrument de msurare a cmpului este cel cu sonda de inducie, prezentat ca schem de principiu n figura 3.1. Senzorul este o suprafa conductoare izolat, expus cmpului electric msurat, pe care acest cmp induce o sarcin. Sarcina de la suprafaa


10

orientat ctre cmp este compensat de o sarcin egal, concentrat pe cealalt fa a membranei conductoare, conectat la circuitul de msurare.

FIG. 3.1 - Msurtor de cmp cu sond de inducie

Cantitatea de sarcin indus pe suprafaa sondei poate fi msurat cel mai simplu printr-o msurare a diferenei de potenial ce se stabilete ntre armturile unui condensator bine-cunoscut, atunci cnd este ncrcat cu respectiva sarcin.

Pentru testele din laborator am realizat o implementare practic a configuraiei din figura 3.1. Principalul neajuns al instrumentelor cu sond de inducie este faptul c nu pot fi folosite pentru monitorizare de lung durat i c nu au o sensibilitate foarte bun.

Funcionarea acestui tip de msurtor de cmp este puternic afectat de cazul n care am avea aer ionizat.

3.2.2 Msurtor de cmp tip moric

Msurtoarele tip moric sunt, din multe puncte de vedere (minus simplitatea) superioare instrumentelor cu prob de inducie simpl, deoarece folosesc un chopper mpmntat pentru modularea cmpului electric care induce sarcini pe suprafaa senzitiv. Avantajul este cel asigurat de orice chopper: n locul prelucrrii (amplificrii) unui semnal continuu, puternic afectat de drift i offset, avem un semnal alternativ, care poate fi amplificat cu mult acuratee iar pe final, redresat cu un redresor sensibil la faz, uor de sincronizat, electric sau mecanic, cu chopperul de intrare.

Msurtoarele tip moric sunt mai complexe din punct de vedere mecanic dect sondele inductive dar ofer sensibiliti mai mari, se pot folosi n prezenta aerului ionizat. Msurrile pot fi fcute pn la ordinul a ctorva V/m, cu timpi de rspuns de cteva milisecunde i o precizie de 1%. Sensibilitile mari astfel obinute permit detectarea unor nivele joase de energie static aflate la distane mari.

Precizia mare nu este necesar ntotdeauna, fiind totui important atunci cnd este nevoie de msurarea unor parametri care se modific foarte ncet.

Realizarea propriu-zis, chiar i artizanal, a unui instrument de msurare a cmpului care s indice intensitatea i polaritatea unui cmp electric nu a fost foarte dificil. Dificultile au aprut atunci cnd am dorit ca instrumentul s aib sensibilitate ridicat, zgomot redus, vitez mare de rspuns, durat mare de operare i imunitate la condiiile de mediu ambiant.

Voi trece n revist cteva din dificultile cu care m-am confruntat, coroborat cu unele din soluiile adoptate:

a) mpmntarea chopperului rotativ b) Stabilitatea punctului de nul

c) Precizia i sensibilitatea d) Timpul de rspuns e) Influena condiiilor de mediu


11

3.3 Msurarea sarcinii Cantitatea net de sarcin existent pe obiecte mobile, fie c ele sunt bune sau rele

conductoare de electricitate, corpuri ce sunt izolate fa de pmnt, poate fi msurat folosind o Cuca Faraday.[Secker, 1980], [Senko, 2000].

Principial, msurarea transferului de sarcin n descrcri statice poate fi fcut n mod direct prin msurarea creterii tensiunii pe un condensator de valoare binecunoscut.

3.3.1 Cuca Faraday Cuca Faraday este, n esen o incint conductoare n care cmpul electric creat de

sarcin pe obiectul de msurat este n totalitate captat pe suprafaa cutii, fr cuplaj cu mediul exterior celui delimitat de incint.

Cuca Faraday poate fi folosit la fel de bine pentru msurarea sarcinii acumulat pe obiecte individuale, (aflate n stare solid), pe un volum de lichid sau pe particule suspendate sau n micare ntr-un gaz sau n aer.

Caracteristicile constructive de baz ale unei Cuti Faraday sunt ilustrate n figura 3.2.

FIG. 3.2 - Cuca Faraday: detalii i proporii constructive

3.4 Msurri ale proprietilor materialelor cu relevan electrostatic

Electricitatea static este un fenomen de suprafa, apare pe suprafaa materialelor, prin contact ori prin frecare cu alt material sau, la limit, chiar prin ruperea unui anume obiect. Riscurile i problemele ridicate de electricitatea static, complementar cu modalitile de folosire a ei sunt determinate de anumite caracteristici ale materialelor implicate:

tensiunile care apar pe suprafeele aflate n contact sau frecare cu alte suprafee, proprietatea suprafeelor de a prelua i distribui sarcinile electrice de la

conductorii cu care se afl n contact direct, proprietatea materialelor de ecranare mpotriva cmpurilor electrice tranzitorii, comportarea unui material, dac se aprinde i apoi arde ca urmare a unei

descrcri electrostatice (inflamabilitatea materialului).

3.4.1 Abordarea practic a determinrilor

n abordrile clasice, se accept c o rezistivitate de suprafa meninut sub 1010

ohmi/ptrat este suficient de mic pentru a permite migrarea sarcinilor n timp rezonabil fa de timpul lor de generare, evitndu-se acumulri periculoase.


12

O metod mai general, global de evaluare a materialelor din punct de vedere al riscurilor cauzate de nmagazinarea sarcinii este de a plasa o sarcin pe material, fie prin contact, fie prin frecare, apoi de a msura tensiunea superficial creat (per unitate de sarcin) i a msura viteza sau timpul de descretere al tensiunii, datorat migrrii (disiprii) sarcinii. [Baumgartner, 1995], [Buhler, 2006]. Apoi se compar rezultatele acestor msurtori cu valori general acceptate, care implic ncadrarea corect ntr-o anume categorie.

n esen, trebuie msurat sarcina transferat unei anume suprafee supus testrii. Eu am experimentat dispozitivul prezentat n figura 3.3.

FIG. 3.3 - Dispozitiv pentru msurarea sarcinii primite prin transfer de o anume suprafa

Sarcina total primit va fi o combinaie ntre sarcina transferat prin contact i cea prin inducie. Electrodul de inducie este oarecum asemntor cu electrodul msurtorului de cmp, astfel nct cmpul indus de sarcina reinut pe suprafa va fi mprit la doi.

Valoarea total a sarcinii transferate va fi calculat cu relaia (3.3): Qtot = Qc +d x Qi (3.3)

Aa cum s-a artat, o valoare realist pentru coeficientul d este aproximativ 2, deoarece ansamblul electrodului amplasat sub suprafaa testat este foarte asemntor cu cel al senzorului de deasupra, astfel nct influena sarcinii induse este njumtit, efectul fiind compensat de factorul de dublare d.

3.4.2 Determinarea eficienei de ecranare Metoda experimentat se bazeaz pe msurarea transferului energetic, fiind centrat pe

determinarea eficienei de ecranare a ambalajelor n care se face transportul i apoi pstrarea circuitelor electronice sensibile. Ecranarea mpotriva cmpurilor electrice accidentale este util i trebuie privit din perspectiva protejrii dispozitivelor sau ansamblurilor electronice sensibile fa de acest gen de perturbaii.

Structura de principiu a ansamblului proiectat i realizat pe baza recomandrilor ESDA, utilizat pentru msurarea performanelor de ecranare a foliilor folosite la ambalarea circuitelor electronice din familia CMOS este prezentat n figura 3.4.

Am testat att ambalaj din folie de polietilen standard, ct i dou variante, cu reea (grid) din fire de grafit inserate n structur sau cu granule de grafit, comparnd pe final cu folie de ambalaj din aluminiu.


13

FIG. 3.4 - Ansamblu pentru testarea eficienei de ecranare fa de cmpurile electrice,

pentru folii de ambalaj ale circuitelor CMOS

Aceast abordare energetic a eficienei de ecranare prezint avantaje fa de alte alternative, mai ales din punctul de vedere al dependenei fa de frecven. Un alt avantaj este asigurarea unei simetrii fa de potenialul pmntului, astfel nct nu avem injectat n eantionul de test (vzut ca un ntreg), semnal de mod comun.

3.5 Concluzii, contribuii n acest capitol am ntocmit o analiz comparativ, detaliat a principalelor tipuri de

msurtoare de cmp electrostatic: cu inducie simpl, sau cu inducie modulat (cu moric). Am propus i verificat eficiena utilizrii a dou perii pentru reducerea zgomotului

electric la intrarea instrumentului de ctre periile de contact, chiar i atunci cnd sunt fcute dintr-un aliaj adecvat, resorturile s fie fcute dintr-un material rezistent la uzur i elastic n acelai timp, sprijinindu-se cu numai cteva grame-for pe o seciune a axului de un diametru diminuat.

Am propus i verificat dou soluii privind stabilitatea nulului unui msurtor de cmp cu modulare, pentru a nu mai fi afectat de paraziii, injectai prin cuplaje inductive sau capacitive de la motor sau de la firele de alimentare. Compensarea efectuat la reglajul iniial se modific n timp din cauza uzurilor mecanice ceea ce a impus o soluie practic de amplasare a unui condensator de 47 nF ntre ansamblul chopperului i axul motorului, inclusiv o ecranare magnetic ntre motor i circuitele de procesare a semnalului.

Prin compararea rezultatelor a trei variante de circuit am constatat c din punct de vedere al preciziei, cea mai bun metod de procesare a semnalelor supuse unui ciclu de modulare-demodulare este utilizarea detectorului sensibil la faz. Acesta ofer un zgomot redus i un rspuns liniar, optnd pentru un senzor de reluctan magnetic, n vederea sincronizrii.

Pentru msurarea unor sarcini (relativ) mici am testat efectiv o incint tip Faraday, experimentnd introducerea unui ecran protector suplimentar, conductor i conectat la mpmntare care s previn inducerea unor sarcini (factori de eroare) pe incinta propriu-zis, provenind de la obiecte ncrcate din apropiere. Am optat pentru o geometrie care s asigure conservarea sarcinii n cuc, partea nchis a cutii avnd nlimea egal cu diametrul, sarcina fiind reinut n prima jumtate.

Am dezvoltat o metod care asigur o evaluare mai realist a comportrii electrostatice a materialelor compozite (neomogene), n comparaie cu clasica msurare a rezistivitii de


14

suprafa. Am imaginat i realizat un dispozitiv relativ simplu care permite msurarea sarcinii transferate suprafeei supus testrii. Sarcina poate fi transferat prin contact, iar n cazul corpurilor lichide sau de tip pulberi, prin descrcri corona. Se msoar tensiunea superficial creat (per unitate de sarcin) i apoi se msoar viteza sau timpul de descretere al tensiunii, datorat migrrii (disiprii) sarcinii. Sarcina total primit este o combinaie ntre sarcina transferat prin contact i cea prin inducie. Electrodul de inducie este oarecum asemntor cu electrodul msurtorului de cmp, astfel nct cmpul indus de sarcina reinut pe suprafa va fi mprit la doi.

Am proiectat i experimentat un ansamblu pentru testarea eficienei de ecranare fa de cmpurile electrice, destinat n special foliilor de ambalaj pentru transportul i depozitarea circuitelor CMOS. Metoda aplicat se bazeaz pe msurarea transferului energetic. n esen, am aplicat cu ajutorul unui simulator ESD un impuls pe exteriorul pungii i am msurat energia primit de un circuit de joas impedan plasat n interiorul aceleiai pungi. Calculul energiei se bazeaz pe integrarea formei de und a curentului printr-un transformator de curent, nseriat

cu un rezistor de sarcin de 500 cu ajutorul unui osciloscop digital performant. Aceast abordare energetic a eficienei de ecranare prezint avantaje din punctul de vedere al dependenei fa de frecven, evitnd, prin construcia simetric fa de potenialul pmntului, posibile erori datorate semnalului de mod comun.

Capitolul 4 Msurarea ncrcrii cu sarcin electric a corpului uman

15

Capitolul 4

Msurarea ncrcrii cu sarcin electric a corpului uman

4.1. Omul-eterna necunoscut Prin studiile i msurrile aferente, prezentate sintetic n acest capitol am urmrit s

gsesc rspuns la cteva ntrebri, toate subsumate aceluiai deziderat: realizarea unor teste de imunitate la DES ct mai apropiate de stress-ul real la care vor fi supuse echipamentele respective n timpul operrii, teste care s fie ct mai repetabile, bucurndu-se de reproductibilitate, trasabilitate i nivel ridicat de ncredere. [A. Slceanu, 2013].

Prima ntrebare: care este valoarea real a capacitii electrice a corpului uman? Imposibil de rspuns printr-o anumit cifr. Fiecare om este unic n felul su, inclusiv din punctul de vedere al comportrii electrostatice. [Chundru, 2009], [Lunca, 2012], [Murasaki, 1998].

A doua ntrebare: care sunt metodele cele mai recomandate pentru msurarea capacitii corpului uman, att din punct de vedere al preciziei (absolut necesar este construirea unui buget corect al erorilor), dar i al securitii operatorului, al simplitii i costurilor aferente ?

A treia ntrebare: n ce msur dispersia nregistrat de valorile reale ale capacitii corpului uman, fa de valoarea impus de standarde, influeneaz cu adevrat potenialul distructiv al impulsului de descrcare ?

4.2 Modelul electrostatic clasic al corpului uman (MCU)

Principalele mecanisme prin care corpurile se ncarc electrostatic sunt frecrile mecanice i inducia, amndou tipice att activitii umane ct i funcionrii unui anume utilaj. n mod paradoxal, modelul corpului uman din punctul de vedere al ncrcrii i descrcrii electrostatice a fost propus cu un secol n urm: un condensator care se ncarc prin inducie sau frecare (triboelectricitate, de la cuvntul grecesc tribein nsemnnd frecare), care se descarc natural (n ambient) printr-o rezisten de scpri (plasat n paralel cu armturile umane), dar care se poate descrca i asupra unui dispozitiv sensibil, printr-o rezisten serie furnizat tot de corpul (n special braul) aceluiai operator uman. [Gonzales, 2000], [Ramachandran, 2004], [Murota, 1997].

Dispersia valorilor capacitii electrice a corpului uman, complementar cu cea a rezistenelor asociate, pentru descrcarea paralel, respectiv serie, a impus inginerete, acceptarea unui compromis rezonabil.

Acest compromis s-a numit Modelul Corpului Uman (n literatura de limb englez, clasicul HBM), figura 4.1.

R=100k Rh=1,5 k

DUT

Ch=100 pF

Surs de nalt

tensiune

FIG. 4.1 - Modelul electrostatic al Corpului Uman, MCU

n esen, omul poate fi modelat print-un condensator de 100 pF, care se descarc pe

dispozitivul supus testrii prin intermediul unui rezistor de 1,5 K


16

La sfritul anilor aizeci, s-a pus problema stabilirii acelor valori care s reprezinte un compromis general acceptat, realist, pe baza cruia s se studieze att procesul de acumulare electrostatic ct i descrcarea aferent i efectele ei.

Tot pe baza acestui compromis, s-a impus realizarea simulatoarelor de descrcri electrostatice (cunoscute n literatur i sub denumirea de ESD Gun - pistol de descrcare electrostatic), menite n principal s testeze (n mod unitar, ct mai repetabil, comparabil i trasabil) imunitatea (sau complementar, sensibilitatea) unui echipament sau circuit la descrcri electrostatice. Este important de precizat c pentru a ncadra un anume dispozitiv ntr-o clas de imunitate standardizat, testele i msurtorile efectuate n laboratoare diferite trebuie s se desfoare n condiii ct mai apropiate (cvasi-identice), elementul principal constituindu-l simulatorul de descrcri.

Testele i standardele bazate pe acest compromis rezonabil al grupului 100 pF-1,5 Kau fost detaliate i rafinate de absolut toate organismele internaionale cu atribuii i competene n materie. n etapa documentrilor bibliografice am identificat peste 80 de standarde i normative n vigoare, cu aplicabilitate n ntreaga lume, care se bazeaz sau mcar fac referire expres la compromisul ante-menionat.

n mod previzibil, datorit impactului decisiv asupra fiabilitii i siguranei n funcionare, standardele militare n general, cele americane n special au tratat cu atenie deosebit aspectele legate de imunitatea la stresul produs de DES asupra unor echipamente tot mai complexe, cu o densitate de integrare i o vitez de lucru tot mai mare.

n esen, condiiile de utilizare i aplicare sunt n permanen actualizate, cea mai recent modificare i completare despre care exista informaii publicate datnd din 2012.

Un model mai rafinat, a fost realizat prin mprirea capacitii omului n dou componente: Cncrcat - capacitatea corpului (ncrcat) i Cbra - capacitatea braului (i a minii), situaie descris n figura 4.2.

FIG. 4.2 - Modelul rafinat al comportamentului corpului uman la ncrcri-descrcri

electrostatice

4.3 Metode de msurare a capacitaii corpului uman n cadrul acestui subcapitol voi prezenta studiile teoretice dar mai ales experimentale pe

care le-am efectuat pentru determinarea capacitaii electrice a corpului uman, bazate pe aplicarea celor mai diferite metode, prin efectuarea a peste o mie de diferite determinri. [Slceanu, Bargan, 2013].

Am pus accent pe compararea i prelucrarea datelor furnizate de experiment, pe identificarea surselor de eroare (i corectarea erorilor sistematice), completate cu recomandri asupra celor mai adecvate metodologii, innd cont c trebuie n acelai timp ndeplinite i cerine legate de securitatea fa de tensiuni sau cureni electrici, att a operatorului, ct i a subiectului (voluntar).


17

Trebuie clar precizat c toate determinrile s-au fcut cu implicarea unor subieci voluntari, eu am fost unul dintre ei, alturi de conductorul de doctorat, domnul prof. Alexandru Slceanu, de colegii doctoranzi Ana Nicu i Paul Bicleanu.

Capacitatea este o caracteristic (electric) a corpului uman, fiind influenat nu doar de dimensiunile gabaritice (n spe, nlimea i greutatea) ci i de poziia relativ a corpului (n picioare, aezat pe scaun, culcat pe podea, aplecat, influennd direct suprafaa comun, respectiv distana fa de alte elemente conductoare din vecintate), de tipul (sau lipsa) micrii, de natura mbrcminii i mai ales a nclmintei.

4.3.1. Corpul omenesc - un conductor delimitat de o suprafa echipoteniala n principiu, fenomenul de ncrcare descrcare electrostatic este un fenomen de

suprafa, n concluzie comportarea din punct de vedere al DES a corpului omenesc este determinat n primul rnd de suprafaa total a pielii, care, datorit proprietarilor conductoare (rezistenta de suprafa i cea de volum nu au valori foarte mari), se comport ca o suprafa echipotenial.

O prima aproximaie a unui om stnd n picioare ar fi un cilindru, cu raza de 0,2 metri i nlimea de 1,75 metri, ceea ce ar corespunde unei suprafee de 2,4 m2 . O sfer cu suprafa echivalent ar avea o raz de 0,45 m.

Capacitatea a dou sfere concentrice este:

rR

rRC

04 , (4.1)

unde R este raza sferei mari (exterioar) iar r este raza sferei mici (interioar) Dac considerm, la limit, R ca fiind raza Pmntului (practic infinit fa de 0,45 m) i

permitivitatea electric a spaiului liber:

mpF

36

10000 , (4.2)

putem calcula capacitatea unui corp izolat fa de pmnt cu formula:

mpFrrC 1114 0 (4.3)

Pentru raza sferei echivalente de 0,45 m, ar rezulta o capacitate teoretic calculat de 50 pF, ceea ce reprezint cam jumtate din valoarea impus de MCU.

Una dintre explicaiile acestor diferene este susinut de celelalte capaciti, dezvoltate ntre corp i alte obiecte conductoare din vecintate, n primul rnd conductorii electrici neecranai din pereii laboratorului, respectiv din plafonul su.

Datorit impedanei interne foarte mici a sursei de 230 V c.a., aceste capaciti pot fi considerate ca fiind plasate n paralel, valoarea echivalent obinndu-se prin sumare, figura 4.3.


18

Operator

mpmntare

Cop

Cot

Coz

Perete cu fire de

alimentare

Plafon cu fire de alimentare

FIG. 4.3 - Capacitile existente ntre operatorul uman i vecintile sale conductoare

Capacitatea dintre om i pmnt a fost notat Cop, capacitatea ntre om i perete (zid) cu Coz iar cea dintre om i plafon (tavan) cu Cot.

Aplicnd teorema lui Thvenin, capacitatea echivalent devine suma capacitilor anterior estimate:

pFCCCC ozotopechiv 100 (4.4)

ceea ce conduce practic la valoarea impus de MCU. Acest rezultat teoretic trebuie validat de msurtori practice. Am efectuat sute de determinri, bazate pe cele patru abordri ale msurrilor de

capacitate:

Principiul divizorului de tensiune capacitiv, aplicat prin msurarea raportului de divizare a tensiunii obinut prin nserierea unui condensator de valoare bine-cunoscut;

Principiul raportului constant ntre sarcina acumulat i diferena de potenial aplicat, materializat n trei (sub)variante: conservarea sarcinii, integrator de curent i coulombmetru;

Principiul constantei de timp de descrcare, aplicat prin msurarea timpului n care tensiunea pe condensator scade la 37%, atunci cnd acesta se descarc printr-o rezisten cunoscut;

Legea lui Ohm (n curent alternativ), aplicat prin calcularea raportului dintre diferena de potenial dintre armturi i curentul stabilit;

Pentru fiecare din aceste metode generale am organizat configuraii de test, am efectuat determinri i intercomparri, am identificat surse de eroare, am propus metode de compensare ale erorilor sistematice (repetabile), am construit bugete de erori i incertitudini.

4.3.2 Principiul divizorului de tensiune capacitiv

Pentru implementarea acestui principiu am realizat montajul experimental din figura 4.4.


19

r

ACMMN

Tabl de aluminiu

Cq

S2

ChS1 250 k

230 V

50 Hz

mpmntare ferm

Covora cauciuc

FIG.4.4 - Msurarea capacitii umane cu ajutorul unui divizor capacitiv

Rezultatele obinute pentru capacitatea electric a operatorului uman, pentru diferite valori ale potenialului de ncrcare programat, respectiv ale condensatorului de conectare la pmnt, Cq, i pentru cele trei poziii uzual ntlnite n activitatea operatorului sunt sintetizate n tabelul 4.1.

Ch (pF) Up=230 V

Cq=1 nF

Up=230 V

Cq=0,47 nF

Up=115 V

Cq=0,47 nF

Up=50 V

Cq=1 F

n picioare 130 119 135 140

Aplecat 145 130 150 160

Aezat 163 150 160 170

Tabelul 4.1 - Valorile msurate ale capacitii electrice a corpului uman, obinute prin aplicarea metodei divizorului capacitiv de tensiune

4.3.3 Principiul raportului constant, conservarea sarcinii

Capacitatea de stocare a sarcinilor electrice este o proprietate (electric) a unui ansamblu dat, caracterizat n esen de suprafaa comun a armturilor conductoare, de distana dintre ele i de proprietile dielectricului dintre armturi. n esen, n regim stabil, n absena strpungerilor sau a scurgerilor, sarcina acumulat n ansamblul capacitiv este direct proporional cu diferena de potenial aplicat ntre armturi, ceea nseamn c raportul Q/U este constant. Acesta este un principiu general pe baza cruia se poate calcula valoarea capacitii electrice, avnd trei variante de implementare diferite, cea mai simpl de aplicat n laborator fiind conservarea sarcinii.

Condensatorul care trebuie msurat se ncarc cu o anume sarcin, prin aplicarea unei diferene de potenial binecunoscute. Avantajul principal al metodei este c nu impune msurarea precis a sarcinii, operaie greu de realizat, care necesit un coulombmetru, echipament foarte scump, inclus de regul n electrometre.

Implementarea practic n laborator a acestui principiu este prezentat n figura 4.5


20

ELM

CqS2-2

Ch

S1

mpmntare

Covora cauciuc

Simulator

DES

Tabl de aluminiu

S2-1

S3a

b

FIG.4.5 - Montaj pentru msurarea capacitii umane prin partajarea sarcinii acumulate

pe un condensator de valoare cunoscut, montat n paralel

Rezultatele obinute pentru capacitatea electric a operatorului uman, pentru diferite valori ale potenialului de ncrcare programat, respectiv ale condensatorului de conectare n paralel, Cq, i pentru cele trei poziii uzual ntlnite n activitatea operatorului sunt sintetizate n tabelul 4.2.

Ch(pF) Up=500 V

Cq=0,47F

Up=1000V

Cq=1 F

Up=500 V

Cq=0,1 F

Up=1000V

Cq=0,1 F

n picioare 160 166 142 135

Aplecat 175 183 153 144

Aezat 214 215 185 175

Tabelul 4.2 - Valorile msurate ale capacitii electrice a corpului uman, obinute prin aplicarea metodei conservrii sarcinii distribuite pe dou condensatoare conectate n paralel

4.3.4 Principiul raportului constant, msurarea sarcinii cu coulomb-metrul

De regul, cel mai rspndit tip de coulombmetru este cel cu reacie, figura 4.6. n principiu, se transfer sarcina Q care trebuie msurat (de regul, stocat pe un condensator a crui valoare nu o cunoatem cu precizie), pe un alt condensator cunoscut cu precizie, msurnd apoi diferena de potenial ce se stabilete astfel ntre armturi, sarcina calculndu-se cu formula clasic,

MrM VCQ (4.12)

Bineneles, pentru ca acest principiu s poat fi materializat, trebuie s avem un curent de offset foarte mic (sarcina s se conserve pe intervale scurte), iar impedanele de intrare s fie ct mai mari, condiii care sunt foarte bine ndeplinite de un electrometru, care are n consecin, funcia coulombmetru, [Keithley, 2006]. Plasarea condensatorului Cr n bucla de reacie a amplificatorului operaional, face ca la intrarea montajului s fie obinut o valoare a capacitii de intrare egal cu Cr, multiplicat cu amplificarea montajului.


21

FIG. 4.6 - Coulombmetru avnd condensatorul de stocare a sarcinii msurate plasat n bucla de reacie a amplificatorului

n principiu, sunt dou abordri, viznd finalitatea determinrii curentului pe baza msurrii sarcinii. n cazul variaiilor cvasi-liniare, curentul mediu este msurabil prin msurarea tangentei unghiului fcut cu axa timpului /axa absciselor).

a) Utilizarea unui timp de integrare fix, cum este sugerat n figura 4.7, creterea sarcinii fiind msurat la intervale de timp bine precizate. Curentul mediu pentru o perioad dat de timp este n esen, panta dreptei:

t

QImed

(4.18)

Aceast metod red curentul mediu pe un anumit interval de timp i realizeaz citiri la o perioad stabil, determinat prin integrarea perioadei.

b) Utilizarea unui prag de cretere prestabilit, alternativ sugerat n figura 4.8, este ntr-o oarecare msur similar metodei de integrare pe o perioad fix de timp, cu alte cuvinte, intervalul fix nu mai este pe axa absciselor, el se stabilete pe axa ordonatelor. Msurarea sarcinii ncepe la un timp t1 i continu pn la momentul t2, stabilit prin atingerea unei valori de prag stabilite, de ctre variaia de sarcin. Curentul mediu este, ca i n cazul precedent, dat de valoarea pantei, cu deosebirea c acum numrtorul este de data aceasta fix (prestabilit), iar numitorul este variabil i trebuie efectiv msurat (msurare de interval de timp):

VM

+

-

Cr

A

Iinj

Q

I= Q/t

t

Q

t

FIG. 4.7 - Metoda de integrare pe intervale fixe de timp (praguri de

sarcin variabile)

interval de timp fixat

FIG. 4.8 - Metoda de integrare pe intervale variabile de timp (praguri de sarcin fixe)

Q

I= Q/t

t

Q

t t2 t1

prag fix


22

Utilizarea coulombmetrului n configuraii de nano sau picoampermetru prezint o serie de avantaje, ce in n principal de gestionarea paraziilor care pot afecta precizia determinrii, fie c aceti parazii sunt de natura unui eveniment izolat (ce poate fi integrat) sau de natura zgomotelor intrinseci. n esen e vorba de avantajele conferite unui sistem de ctre integrare.

Am aplicat aceste msurtori directe de sarcin, asigurate de un electrometru cu funcia de coulombmetru n dou perioade.

Iniial am dispus numai de un electrometru Keithley tip 6514, care nu avea ncorporat sursa de nalt tensiune continu care s poat fi utilizat n msurri de sarcin.

mpreun cu ali colegi, sub coordonarea domnului profesor, am proiectat i realizat practic un convertor CC-AC-CC. n ultima perioad am avut acces la un electrometru 6517A, care are sursa de nalt tensiune ncorporat, realiznd montajul de test prezentat n figura 4.9.

Hi Hi

Lo Lo

50 k

Plan de

aluminiu

Covor de

cauciuc mpmntare

- Pmnt

Reea ecranat

Conector

BNC

Intrare n

electrometru

Model 6517A n

modul Coulomb

Ieirea sursei de

tensiune

S1

FIG. 4.9 - Configuraia experimental pentru msurarea capacitii prin msurarea

sarcinii acumulate cu electrometrul

Rezultatele sunt prezentate n tabelul 4.3.

Tabel 4.3 - Valorile msurate ale capacitii electrice umane, msurate prin utilizarea unui coulombmetru, pentru diverse tensiuni de ncrcare i poziii ale operatorului

Tensiunea de ncrcare (V) 100 150 200 250 300

Poziia vertical

Sarcina Q (nC) 21 30 36 37 39

Capacitatea rezultat C (pF) 210 195 178 147 130

Aezat pe scaun

Sarcina Q (nC) 19 27 33 34 36

Capacitatea rezultat C (pF) 190 182 163 135 119

Din interpretarea rezultatelor din tabelul 4.3, se observ o anume dispersie i nerepatibilitate a valorilor pentru practic acelai msurand.

Printre cauze, cu siguran una o reprezint existena unor cmpuri perturbatoare n ambientul experimentului, influena lor putnd fi semnificativ redus prin utilizarea unui ecran suplimentar, de tipul unei aa numite cuti Faraday.


23

R = 50 k

Suport ceramic,

10 mm grosime

Covor de

cauciuc

mpmntare

Conector

BNC

S1 La 6517A,

ModulCoulomb

S2

S3

De la 6517A

Surs de tensiune

Perete exterior ecranat

(Reea de aluminiu) Perete interior

ecranat

(Reea de aluminiu)

FIG. 4.10 - Configuraia de msurare cu cuc Faraday pentru determinarea ncrcrii

neperturbate, cu sarcin electric, a corpului uman

Rezultatele obinute sunt prezentate n tabelul 4.4, valoarea aceleai capaciti msurate este mult mai puin influenat de tensiunea aplicat, dovad clar c influenele cmpurilor perturbatoare, dar mai ales scprile, scurgerile de sarcin, au fost mult diminuate, ca rezultat al ecranrii produse de cuca Faraday.

Tabel 4.4 - Valoarea capacitii msurate, pentru diverse tensiuni de ncrcare i cele mai frecvente poziii de lucru ( cu ecranare Faraday)

Tensiunea de ncrcare (V) 100 150 200 250 300

Poziia Vertical

Sarcina Q (nC) 17 25,2 33,2 40,5 48

Capacitatea C (pF) 170 168 166 162 160

Aezat pe scaun

Sarcina Q (nC) 16,5 24,5 32,6 40 47,7

Capacitatea C (pF) 165 164 163 160 159

Din dorina de a identifica (inclusiv prin comparaie) principalele cauze care determin dispersia rezultatelor privind msurarea capacitii electrice a aceluiai subiect, am realizat o nou configuraie de test care mbin avantajele utilizrii unui electrometru cu cele ale montrii n paralel a unui condensator etalon, foarte multe din erorile sistematice fiind astfel compensate, figura 4.11.

100 k

R1 S1 CH S2 S2

S3

CE

1 n F S2

Lo

Hi

Lo

Hi

1 to 4 rubber

carpets

Voltage source

output

Electrometer input

Aluminium plate

6517 A

Ground earth

FIG. 4.11 - Montaj experimental pentru msurarea capacitii electrice a corpului uman,

folosind electrometrul Keithley 6517 A i condensator etalon n paralel


24

Spaiul permis de aceast configuraie de test fiind mai larg, am efectuat msurtori inclusiv cu voluntarul aezat pe covorul de cauciuc izolator.

O parte din rezultatele obinute cu aceast configuraie de test schimbat (covorul izolator de cauciuc este plasat ntre voluntar i pmnt, pentru a asigura un curent de scurgeri ct mai mic) sunt prezentate n tabelul 4.5.

Tabelul 4.5 - Rezultate obinute pentru capacitatea electric a operatorului uman, pentru diferite poziii i rezistene de izolaie

Un covora cauciuc

Dou covorae cauciuc

Trei covorae cauciuc

Patru covorae cauciuc

CH, poziie vertical 295 pF 178 pF 138 pF 116 pF

CH, aezat pe un scaun de lemn

287 pF 165 pF 124 pF 105 pF

CH, aezat direct pe covor

295 pF 165 pF 121 pF 101 pF

4.3.5 Principiul capacimetrului din MMN (legea lui Ohm n c.a.) Metoda de msurare a unei capaciti, aplicat n majoritatea multimetrelor numerice se

bazeaz pe injectarea unei tensiuni joase (cuprins ntre 0,1 i 0,5 Voli valoare efectiv) cu o frecven variind ntre 2 i 5 Hz, impedana capacitiv astfel msurat fiind raportul dintre tensiunea aplicat i curentul rezultant, conform (4.20).

aplicat

masurat

fU

IC

2 (4.20)

Rezultatele obinute asupra impedanei umane (exprimate n M, pentru mai multe valori ale frecvenei tensiunii de 10 Voli, aplicate n cele trei situaii discutate, sunt prezentate n tabelul 4.6.

Tabel 4.6 - Impedana operatorului uman msurat fa de pmnt, pentru diferite frecvene i izolaii

Izolaia operatorului fa de pmnt

f (Hz)

Slab (talp de piele i

linoleum antistatic)

Medie

(talp EPA i

linoleum

antistatic)

Bun (suport

ceramic, covor

cauciuc i talp

EPA)

5 0,51 5,12 47,23

10 0,49 5,08 42,15

20 0,48 4,92 31,34

40 0,48 4,75 15,63

400 0,41 4,62 1,59

Din interpretarea acestor date, rezult c am msurat cu adevrat o impedan (practic) capacitiv doar n situaia n care frecvena tensiunii de excitaie a fost mai mare de 20 Hz, iar izolaia ntre subiect i pmntul referin a fost excelent (reducerea drastic a curentului de scurgeri). Numai n aceste condiii am observat inversa proporionalitate ntre impedana msurat (de data aceasta capacitiv) i frecvena semnalului de test.

4.3.6 Principiul msurrii capacitii (sau rezistenei) pe baza constantei de descrcare


25

Formula (4.21) este bine cunoscut, oferind o posibilitate relativ simpl i destul de precis de a msura un condensator. Condiia de baz este s dispunem de un osciloscop numeric performant de band larg (preferabil, peste 1 GHz).

RC

t

eUtU

0)( (4.21)

unde e este constanta lui Euler, avnd valoarea aproximativ 2,71. Concret, n aceast figur, s-a msurat timpul ct tensiunea de pe condensator a sczut de

la 2kV la 0.37 x 2kV= 740 V, rezultnd o constant de timp RC de 100 ns.

Cu schema din figura 4.11 am reluat determinrile i, pentru umiditatea relativ din laborator 45%, pentru nclminte cu talp groas ortopedic, stnd n picioare, cu mbrcminte din materiale naturale, am determinat pentru capacitatea mea electric valoarea medie (pe baza a 5 determinri fcute la poteniale de ncrcare diferite) valoarea (medie) de 142 pF.

Pe baza acestei valori, am msurat constanta de descrcare RC, pentru fiecare din cele trei situaii detaliate n tabelul 4.6, pentru mai multe tensiuni de ncrcare.

Rezultatele obinute sunt prezentate n tabelul 4.7

Tabel 4.7 - Rezultate ale msurrii rezistenei de scpri (M, pentru diverse configuraii i tensiuni de ncrcare

Izolaia operatorului fa de pmnt

Uncrcare

Slab (talp de piele i

linoleum antistatic)

Medie

(talp EPA i linoleum

antistatic)

Bun (suport

ceramic, covor

cauciuc i talp EPA)

100 V 0,49 5,23 51,73

200 V 0,48 5,15 50,28

300 V 0,47 5,02 49,87

4.4 Factori de eroare ce intervin n msurarea capacitii corpului uman

n paragrafele anterioare am detaliat cteva cauze care pot determina variaii ale capacitii corpului uman, n special gabaritul, poziia relativ fa de conductorii din vecintate i mediu.

n completarea datelor sintetizate n tabelul 4.7, am fcut o serie de determinri pentru a msura rezistena dintre diverse pri ale corpului uman, att n c.c., ct i n curent alternativ, la 50 Hz. Am utilizat electrozi medicali omologai iar pentru a avea un contact electric ferm, am


26

aplicat un gel pentru proceduri electromedicale, (certificat C, produs de laboratoarele Parker, Fairfield, New Jersey), o combinaie bacteriostatic ntre un electrolit i un polimer neiritant i neabraziv.

Rezultatele obinute sunt prezentate n tabelul 4.8. Aa cum era de ateptat, valorile n c.a. sunt mai mici dect cele n c.c., datorit penetrrii stratului foarte subire de celule moarte. Complementar, dependena dintre tensiunea aplicat i curentul stabilit nu este liniar, fapt explicabil prin traseele de nchidere a curentului, care au rezistene diferite, funcie de grosimea pielii sau a esutului sau organului parcurs.

Tabel 4.8 - Valorile rezistenelor (de volum) msurate ntre diverse pri ale corpului

uman, exprimate n kmsurate la curent constant (c.c, respectiv c.a la 50Hz)

Poziia electrozilor

Curentul

ncheietur-cot

ncheietur-umr

ncheieturaceeai glezn

ncheieturglezn opus

ncheietur- ncheietur

glezn- glezn

0,75 mA, c.c 3,48 6,95 8,78 9,52 8,41 8,59

1,5 mA, c.c 2,93 5,98 7,09 7,15 7,01 6,82

0,75 mA, 50 Hz 2,87 5,72 7,23 7,85 6,95 7,09

1,5 mA, 50 Hz 2,41 4,93 5,82 5,93 5,78 5,71

Aceste valori sunt mai mari dect valoarea de 1,5 kdin MCU, demonstrnd c valoarea din standard este acoperitoare i pentru situaii limit, defavorabile.

Un alt aspect care merit reinut. Am fcut msurtori ale rezistenei (respectiv rezistivitii) de volum i de suprafa ale unor eantioane din piele de oaie i respectiv piele de porc, utiliznd incinta de inele concentrice specializat pentru msurri de rezisten de suprafa i volum 8009 (menit s funcioneze mpreun cu electrometrul Keithley 6517). S-au obinut

valori mai mari dect 10 MConcluzia: sunt diferene foarte mari ntre rezistena pielii moarte i cea vie, determinrile pentru rezistena electric a operatorului uman trebuie fcute in vivo. Numai aceste determinri pot oferi informaii reale despre rezistenele de scurgeri (plasate n paralel), respectiv de descrcri (plasate n serie), care au un rol esenial n procesele de ncrcare, respectiv descrcare electrostatic n care este implicat operatorul uman.

Complementar, determinrile pentru rezistena serie prin care se descarc condensatorul uman pe circuitul sensibil sunt condiionate de infinita mprtiere a caracteristicilor umane. Fiecare om este unic, inclusiv din acest punct de vedere. Grosimea pielii,

particulariti de metabolism, transpiraia datorat unei stri emotive, temperatura corpului, grosimea stratului de grsime subcutanat, sunt doar civa factori care pot impune diferene.

Sigur, aseriunea general afirm c fenomenele electrostatice sunt prin excelen de suprafa. n ceea ce privete omul, din cauza particularitilor celulelor vii, rezistena electric dintre dou puncte este o combinaie osmotic ntre o rezisten de suprafa i una de volum, liniile de curent care se stabilesc prin corpul uman depinznd att de amplitudinea ct i de frecvena tensiunii aplicate n vederea msurrii curentului.

4.5 Metod de descompunere a capacitii electrice a corpului uman n dou componente

Omul poate fi privit, din punct de vedere capacitiv, ca rezultant a dou condensatoare montate n paralel.

Am procesat datele din tabelul 4.5, pentru cele trei poziii, n situaia practic a unui singur covora, respectiv a dou covorae (ceea ce implic o dublare a distanei dintre armturi, deci o njumtire a capacitii Cp.

Pentru datele msurate n cazul operatorului stnd pe un scaun din lemn, avem sistemul liniar de 2 ecuaii cu dou necunoscute:


27

2165

287

p

sf

psf

CC

CC

(4.32)

Rezolvnd sistemul, obinem 245 pF pentru Cp i 42 pF pentru Csf. Relaia de invers proporionalitate ntre grosimea (i implicit, numrul) covoraelor de cauciuc, respectiv valoarea pentru componenta variabil a lui CH, aa cum se deduce din sisteme de ecuaii similare lui (4.32) este confirmat i de valorile 124 pF, respectiv 105 pF, nregistrate pentru cazul cu trei, respectiv 4 covorae.

Valabilitatea acestei observaii de natur teoretic este confirmat i de msurtorile efectuate pentru cazul operatorului stnd n picioare.

Rezolvnd un sistem similar lui (4.32), avnd drept date de intrare valorile determinate pentru cazurile cu 1, respectiv 2 covorae, am obinut 234 pF pentru Cp i 61 pF pentru Csf , cu respectarea ulterioar a inversei proporionaliti rezultat pe baza datelor din ultimele dou celule ale rndului 2 din tabelul 4.5.

Pentru varianta aezat direct pe covora, datele obinute pentru primele dou cazuri permit obinerea valorilor de 260 pF i 35 pF pentru Cp, respectiv Csf, ntrite de scderea ulterioar a lui Cp, datorit creterii distanei dintre armturile condensatorului.

4.6 Explicaie teoretic pentru o neconcordan constatat experimental

O prim abordare asupra capacitii electrice a corpului uman, vzut ca o sfer izolat fa de pmnt (alt sfer, dar exterioar i cu raza infinit) ar duce la estimarea unei valori de aproximativ 100 pF, care a stat la baza iniial a clasicului MCU.

Practic s-a calculat suprafaa total a corpului uman (de fapt, pielea, fiind vorba de un fenomen de suprafa), dup care s-a dedus raza sferei echivalente de aproape 50 cm.

Datele experimentale mai rafinate, care au permis separarea capacitii totale CH n dou componente, au condus spre valori mai reduse (aproape la jumtate) ale componentei Csf.

O explicaie pertinent ar putea fi desprins din figura 4.12.

Conductor gol sau

doar o simpla folie

Pmnt

d V

Q

d

SC

a) b)

Pmnt

Conductor

(semi)sferic gol n interior

FIG.4.12 - Numai jumtatea orientat ctre sol a sferei echivalente a corpului uman

contribuie la ncrcarea cu sarcini electrice

Capacitatea specific a unei anume configuraii de armturi este aceeai, nu conteaz dac aceste armturi sunt simple folii conductoare sau conductori care delimiteaz un spaiu gol pe dinuntru. Astfel, omul ar putea fi privit ca o sfer conductoare, dar numai partea de jos a acesteia este oarecum paralel cu pmntul. Astfel contribuia real la capacitatea electric a omului privit ca o sfer izolat fa de pmnt are numai jumtatea de jos.


28

4.7 Influena valorilor reale ale parametrilor R-C ai corpului uman asupra

potenialului perturbator al impulsului DES

n paragrafele anterioare s-au fcut numeroase determinri experimentale asupra valorilor reale ale parametrilor R-C ce caracterizeaz corpul uman, din perspectiva acumulrilor de sarcini electrostatice i a descrcrii lor ulterioare pe un echipament (electronic) sensibil. S-a constatat o larg dispersie a acestor parametri, s-au identificat cauze, factori, s-au cutat explicaii teoretice.

n concluzie, un volum de munc considerabil. ntrebarea practic care se pune: n ce msur sunt cu adevrat justificate eforturile

depuse, cnd i cui folosesc? Un prim rspuns. S-au constatat deosebiri ntre rezultatele testelor de imunitate la DES

(realizate cu simulatoare de DES standardizate) i comportarea real a echipamentului, n timpul utilizrii de ctre un anume operator. Cauza principal a acestor diferene: omul prezint nite parametri R-C diferii fa de cei ai simulatorului DES. Aceti parametri influeneaz potenialul perturbator al impulsului de test!

n esen, avem trei valori care pot fi determinante pentru potenialul distructiv al impulsului DES:

a) Valoarea de vrf a curentului de descrcare. Impulsul este nerepetabil, valoarea maxim atins de curent este distructiv, att datorit efectului termic, ct i datorit posibilei depiri a curentului maxim printr-o jonciune, fr ns a uita cmpul magnetic asociat acestui curent.

b) Primul timp de cretere (frontul ascendent). Se stabilesc valori foarte mari pentru dI/dt, care pot produce, chiar i pe o sarcin inductiv minor, supratensiuni periculoase pentru echipamentul sensibil. n aceeai ordine de idei, limea benzii de frecvene asociate unui front avnd timpul de cretere tcr este invers proporional cu acesta:

crtB

3

1 (4.33),

un spectru de frecvene foarte larg fiind mai greu de tratat, deci mult mai penetrant. c) Aria delimitat de curent i axa temporal a absciselor. Aceast arie este o msur

a integralei curentului funcie de timp, cu alte cuvinte, o msur a sarcinii electrice implicate n descrcare, a energiei asociate.

Pentru a studia influena real a parametrilor R-C asupra potenialului distructiv al impulsului DES, am avut dou abordri complementare:

i) cu ajutorul unui simulator DES artizanal construit n laborator, dar i cu un simulator omologat NSG 435, am efectuat descrcri asupra a trei sarcini pe care le-am considerat

reprezentative i n strns legtur cu realitatea: sarcina de 2(inta Pellegrini), sarcina de 50 impedana caracteristic n RF) i sarcina de 10K(impedana unei jonciuni p-n polarizat invers). Parametrii ante-menionai ai impulsurilor de descrcare au fost determinai cu ajutorul osciloscopului digital cu 4 canale DPO 7254, avnd banda de 2,5 GHz i posibilitatea de a lucra practic n timp real (40 GS/sec).

ii) Am simulat descrcrile cu ajutorul pachetului software cadence IC 5.3, exact pentru aceleai situaii efectuate real (aceleai valori ale rezistenei de descrcare, ale condensatorului de acumulare, ale sarcinii asupra creia se efectueaz descrcarea i ale tensiunii la care se ncarc condensatorul).

Forma standard a curentului DES, prezentat n standardele de testare a imunitii este prezentat n figura 4.13.

Trebuie precizat c am reuit s msurm aceast form teoretic doar n cazul n care

sarcina asupra creia se efectua testul era de tip Pellegrini, de 2Se observ un prim front ascendent foarte abrupt (tcr mai mic de 1 ns), valori importante fiind curentul dup 30, respectiv 60 ns de la amorsare.


29

FIG. 4.13 - Forma ideal a curentului de descrcare pe o sarcin Pellegrinni.

O sarcin tip Pellegrini, att de utilizat n testele de imunitate electrostatic are o construcie cu totul special, care-i confer o inductan practic zero, ntr-o montur prezentat schematic n figura 4.14.

FIG.4.14 - Sarcina Pellegrini asigur egalitatea numeric ntre tensiunea pe osciloscopul

de test i curentul de descrcare

Sarcina Pellegrini are valoarea R1 de numai 2plasat n paralel cu impedana de 50a osciloscopului de RF (nseriat la rndul ei cu o alt impedan de 48astfel nct se obine prin osciloscop un curent de 50 de ori mai mic dect ntregul curent de descrcare. Impedana osciloscopului este 50. n concluzie, cderea de tensiune pe osciloscop este numeric egal cu ntreg curentul de descrcare.

n cazul n care rezistena prin (i pe) care se face descrcarea este semnificativ mai mare dect valoarea din standard, avem o descrcare supraamortizat, n caz contrar suntem n situaia subamortizat, figura. 4.15 a), respectiv b).


30

FIG. 4.15 - Forma de und a curentului de descrcare, pentru cazurile n care impedana

rezistiv de descrcare difer semnificativ de valoarea din standard

Experimentele s-au desfurat n Laboratorul EMC-ESD al Departamentului de Msurri electrice i materiale electrotehnice, avnd la baz montajul schematic din figura 4.16.

FIG.4.16 - Montaj pentru msurarea parametrilor impulsului DES, ecranare electrostatic

Simulatorul TESEQ NSG 435 are circuitul de descrcare dimensionat n conformitate cu specificaiile din ultima variant a IEC/EN 61000-4-2, adic condensatorul de ncrcare (Cs +

Cd) are valoarea de 150 pF iar rezistena de descrcare Rd are valoarea de 330 (ambele cu tolerana de 10%). Deoarece nu am dispus de alte elemente R-C care s poat fi introduse n echipament, pentru a experimenta i alte configuraii de test, am apelat, respectnd normele de protecie, la o variant artizanal de simulator DES, construit pe baza unei surse de nalt tensiune (maxim 8 kV, ambele polariti), ntregul ansamblu fiind prezentat n figura 4.17.


31

FIG. 4.17 - Ansamblu experimental pentru testarea influenei valorilor RC asupra

parametrilor impulsului DES

Pentru a realiza modelarea i simularea acelorai evenimente, am apelat la pachetul software Cadence IC 5.3, figura 4.18.

FIG.4.18 - Diagrama Cadence a MCU

Din multitudinea de grafice trasate, am extras cele mai reprezentative din punct de vedere

al studiului anterior precizat.

n figura 4.19 este prezentat forma de und a curentului de descrcare, pentru valori ale condensatorului cuprinse ntre 30 pF i 600 pF,


32

FIG. 4.19 - Influena valorii condensatorului asupra formei de und a curentului de

descrcare, tensiunea VESD= 2 kV, sarcin tip Pellegrini (RS = 2 )

Valoarea sarcinii electrice implicate n transferul asociat descrcrii a fost calculat pe baza ariei delimitate de forma de und a curentului i axa absciselor, cu alte cuvinte, am calculat integrala definit a curentului ntre doi markeri temporali, ceea ce reprezint sarcina electric corespunztoare.

Programul a oferit, pentru formele de und din figura 4.19, datele prezente n tabelul 4.9.

Tabel 4.9 - Curentul de vrf, timpul de cretere i sarcina corespunztoare descrcrii, pentru diferite valori ale condensatorului de acumulare, RS= 2

RS = 2 [], VESD = 2 [kV]

C [F] Ivarf [A]

Primul timp de

cretere [s] Sarcina

corespunztoare

[C]

30p 5,02 1,60n 42,9n

100p 5,54 1,97n 134n

150p 5,65 2,10n 199,4n

300p 5,79 2,20n 391,9n

450p 5,86 2,25n 579,2n

600p 5,88 2,30n 758,6n

Sarcina de tip Pellegrini, avnd valoarea de 2 i codul MD 101 a fost executat conform prevederilor din anexa B a standardului (SR)EN 61000-4-2. n ultima perioad, a fost propus o sarcin coaxial, MD 103, de ctre Pommerenke, mai flexibil n utilizare. Condiia principal este ca valoarea acestei sarcini s nu fie influenat de inductan pn la valori de peste 1 GHz, cu

Date post:	24-Nov-2015
Category:	Documents
Upload:	oana-miron
View:	64 times
Download:	1 times

Rezumat Teza Liliana Bargan

Documents