Συμβολή στη μελέτη της ηλεκτροστατικής εκφόρτισης

Abstract

The aim of this PhD thesis is to focus on the study of the electrostatic discharge current, and to highlight the less known and more poorly measured parameters through human-to-metal electrostatic discharge experiments. This thesis also aims at the critique and improvement of the mathematical expressions of the discharge current via methods developed by the author, with real experiments data reference. Finally, the synthesis of passive circuits generating the current measured in real electrostatic discharge experiments is a main goal. The measurements of this thesis show that the rise time of the electrostatic discharge can be, not only much smaller than the one defined in the IEC 61000-4-2 Standard (especially for very small charging voltages), but also, smaller from the findings of other researchers. In general, the parameters of the electrostatic discharge current present different values than the ones defined in the Standard, while their behavior, regarding different charging voltages, is also different from the Standard’s, which approaches the phenomenon in a rather theoretical and general manner. What is arbitrary enough is that, certain observations made on the electrostatic discharge current under specific conditions are expanded, in the same Standard, to present definitions for the whole phenomenon. A method was developed for the evaluation of the discharge current parameters based on the calculation of the uncertainties. Additional measurements under different approaching speeds are carried-out, and presented. The behavior of important electrostatic discharge current parameters versus speed and arc length is examined and presented. Numerical methods, that were developed in this thesis from scratch and others, that were modified specially for its needs, resulted in improved mathematical expressions, corresponding to the mathematical expression of the Standard. Also, new expressions under the form of series of exponentials are found, with experimental data reference. Both passive and active circuit synthesis methods, producing the electrostatic discharge current, are presented. They use IEC Standard’s current waveform, commercial electrostatic discharge current waveform and experimental real human-to-metal discharge data reference. The presentation of passive circuits that produce the current of human discharge, as measured in our experiments, is emphasized.

Η παρούσα διατριβή εστιάζει στην μελέτη του ρεύματος της ηλεκτροστατικής εκφόρτισης, στην ανάδειξη των λιγότερο φωτισμένων και φτωχότερα μετρημένων παραμέτρων του, μέσω πειραμάτων ηλεκτροστατικής εκφόρτισης ανθρώπου-γειωμένου μετάλλου, στην κριτική και βελτίωση των μαθηματικών εκφράσεων για το ρεύμα εκφόρτισης, με αναφορά σε πειραματικά δεδομένα, με τη βοήθεια μεθόδων που αναπτύχθηκαν και στη σύνθεση παθητικών κυκλωμάτων ηλεκτροστατικής εκφόρτισης. Οι μετρήσεις μας κατέδειξαν ότι, ο χρόνος ανόδου του ρεύματος ηλεκτροστατικής εκφόρτισης μπορεί να είναι όχι μόνο πολύ μικρότερος από αυτόν που ορίζεται στο Πρότυπο IEC 61000-4-2 (ειδικά για πολύ χαμηλές τάσεις φόρτισης), αλλά και μικρότερος από ευρήματα άλλων ερευνητών. Οι παράμετροι του ρεύματος ηλεκτροστατικής εκφόρτισης έχουν, εν γένει, διαφορετικές τιμές από αυτές που ορίζονται στο ίδιο Πρότυπο ενώ ακόμα και η συμπεριφορά τους, για διαφορετικές τάσεις φόρτισης, είναι διαφορετική από αυτήν που περιγράφεται στο Πρότυπο, η προσέγγιση του οποίου στο φαινόμενο είναι, μάλλον, αρκετά θεωρητική και γενική, αρκούμενη στην επέκταση κάποιων παρατηρήσεων που έχουν γίνει για το ρεύμα ηλεκτροστατικής εκφόρτισης υπό συγκεκριμένες προϋποθέσεις, στο σύνολο του φαινομένου. Παρουσιάζεται μια μέθοδος για την αξιολόγηση των μετρήσεων των παραμέτρων του ρεύματος εκφόρτισης, που αναπτύχθηκε, μέσω υπολογισμού αβεβαιοτήτων. Περαιτέρω, μετρήσεις υπό διαφορετικές ταχύτητες προσέγγισης του φορτισμένου ανθρώπου στο μεταλλικό γειωμένο στόχο εκφόρτισης, διερευνούν τη συμπεριφορά χαρακτηριστικών παραμέτρων του ρεύματος εκφόρτισης, συναρτήσει των διαφόρων ταχυτήτων προσέγγισης προς το μεταλλικό γειωμένο στόχο. Αριθμητικές μέθοδοι, οι οποίες αναπτύχθηκαν εξ ολοκλήρου στο πλαίσιο της διατριβής και άλλες, που τροποποιήθηκαν, ειδικά για τις ανάγκες της, απέδωσαν βελτιωμένες μαθηματικές εκφράσεις για το ρεύμα ηλεκτροστατικής εκφόρτισης, σε αντιστοιχία με τη μαθηματική έκφραση του Προτύπου, και νέες εκφράσεις υπό τη μορφή αθροίσματος εκθετικών συναρτήσεων, με αναφορά στα πειραματικά μας δεδομένα. Παρουσιάζονται μέθοδοι σύνθεσης δικτύων που παράγουν το ρεύμα ηλεκτροστατικής εκφόρτισης, ενεργών και παθητικών, με αναφορά στις καμπύλες ρεύματος ηλεκτροστατικής εκφόρτισης του Προτύπου, των εμπορικών γεννητριών ηλεκτροστατικής εκφόρτισης και πειραματικών δεδομένων εκφόρτισης ανθρώπου σε μέταλλο. Ιδιαίτερο βάρος δίνεται στην παρουσίαση των παθητικών κυκλωμάτων που δίνουν το ρεύμα το παραγόμενο από ανθρώπινα σώματα, όπως αυτό μετρήθηκε στα πειράματά μας, υπό διάφορες τάσεις φόρτισης.