4.1 Verschijnselen
Statische elektriciteit is het verschijnsel, dat als sommige isolerende stoffen samen gewreven worden, ze elk een tegengestelde lading krijgen (afbeelding 4a). Daarbij gaan elektronen van de éne stof naar de andere stof, op afbeelding 4a van stof A, bijvoorbeeld wol, naar stof B, bijvoorbeeld kunststof. De ene stof wordt positief opgeladen (A) en de ander negatief (B). In de praktijk kan statische oplading van personen ontstaan bij lopen over een tapijt of bij schuiven over een stoelbekleding (afbeelding 4b) en van machines bij de aanwezigheid van snel bewegende isolerende banden of banen materiaal
(afbeelding 4c).
De grootte van de lading hangt af van de soorten stof en kan tientallen kV bedragen.
Komt een geladen voorwerp in de buurt van of tegen een ander voorwerp, dan gaat de lading of een deel daarvan daarop over.
PBNA/eiyt30/EP elektronen of negatieve ionen
positieve ionen
a. Elektrostatische oplading door wrijving b. Oplading door lopen over tapijt c. Oplading bij fabricage grote snelheid
Afbeelding 4
Ontstaan van statische elektriciteit
Als de spanning hoog genoeg is, zal er bij nadering van een geleidend
vonk voorwerp een vonk overslaan.
Daarbij treden een aantal verschijnselen op.
Als het geladen voorwerp met een spanning U zich op een afstand d van een geleidend vlak bevindt, is de statische elektrische veldsterkte (afbeelding 5a):
E = U/d waarin:
E = elektrische veldsterkte in V/m U = spanning in V
d = afstand tussen geleiders in m
Wordt het geladen voorwerp naar het geleidende vlak gebracht, dan treden er de volgende verschijnselen op (afbeelding 5b):
– er springt een vonk over. Dit is een zeer kortdurend, dus hoogfrequent, verschijnsel, waarbij:
– de spanning U verkleint en dus ook de elektrische veldsterkte E. Door deze verandering van E ontstaat een hoogf requent elektrisch veld.
– tijdens de vonk er kortdurend een stroom loopt. Deze stroom:
– genereert een magnetisch veld;
– loopt door het geleidende vlak en kan door daarmee verbonden elektronische circuits lopen.
PBNA/eiyt30/EP
geleidend vlak geleidend vlak
d
Verschijnselen bij een elektrostatische ontlading
Vraag 3
Bereken de statische elektrische veldsterkte van een opgeladen voorwerp met een spanning van 10 kV, dat zich op 1 cm van een geaard vlak bevindt.
Er ontstaan dus drie hoogfrequent elektromagnetisch verschijnselen:
– elektrisch veld E;
– magnetische veld H;
– hoogfrequentstroom.
De stroom zal het andere voorwerp opladen of, als dit geaard is, door het voorwerp naar aarde lopen.
Als de statische spanning laag is en de naderingssnelheid van het geladen voorwerp hoog, ontstaat er soms geen vonk. Wel loopt er door de korte ontlaadtijd een hoogfrequentstroom.
ESD Statische elektriciteit wordt ook vaak met de Engelse afkorting ESD (Electro Static Discharge) aangeduid.
4.2 Invloeden op elektronica
De elektrische en magnetische velden ten gevolge van de vonk kunnen elektronica elektronische circuits beïnvloeden. Als de ontlaadstroom door
elektronische circuits loopt, kunnen componenten beschadigd worden halfgeleidercomponenten of defect gaan. Dit geldt vooral voor half geleidercomponenten zoals
integrated circuits (IC).
Als de vonk direct overslaat naar een circuit, bestaat er een grote kans op beschadiging of defect raken van halfgeleidercomponenten in de schakeling (afbeelding 6).
4.3 Ontstaan van elektrostatische lading Personen
In de werkomgeving bevinden zich tegenwoordig veel isolerende stoffen als kunststoffen en plastics. Dit geldt soms ook voor kleding.
personen Dit kan elektrostatische oplading van personen tot gevolg hebben, bijvoorbeeld door:
– lopen over kunststof vloerbedekking;
– draaien over een kunststof zitplaats;
PBNA/eiyt30/EP
57.98-04.0 9
5798-040-006-D
I C
PCB (Printed Circuit Board) vinger van eletrostatisch opgeladen persoon veroorzaakt vonk
Afbeelding 6
Vonk vernielt elektronisch circuit
– werken met plastic folie, bijvoorbeeld voor verpakking;
– werken met plastic plakband.
Een statisch opgeladen persoon kan elektronica vernielen.
Machines
machines In fabrieken zal vooral elektrostatische oplading ontstaan bij machines met snel bewegende isolerende stoffen zoals rubber banden, folie, papier, garen, stoffen enzovoort. Als er bij deze machines geen maatregelen genomen worden, is de kans groot dat de statische ontladingen de besturing en regeling van de machines storen.
4.4 Maatregelen ter voorkoming van het ontstaan van ESD
Voor het voorkomen van het ontstaan van en van schadelijke gevolgen maatregelen door elektrostatische ontladingen zijn er de volgende mogelijkheden:
– het ontstaan van ontladingen moet voorkomen worden door het nemen van EMC-maatregelen. Hiervoor komen in aanmerking het gebruik van geleidend materiaal in plaats van isolerend materiaal en indien dit niet mogelijk, is het afleiden van de elektrostatische lading door aardingsmaatregelen.
– aan elektronische apparaten, bijvoorbeeld van controle- en besturingssystemen, moeten EMC-maatregelen genomen worden, zodat deze minder gevoelig zijn voor de ontladingen. Deze EMC-maatregelen worden in volgende lessen behandeld.
Maatregelen, die elektrostatische oplading van personen voorkomen, zijn in principe dezelfde als die gelden voor de montage van elektronische componenten.
4.5 Elektrostatische ontlading bij montage van elektronische componenten
montage componenten Elektrostatische ontladingen kunnen bij het monteren van gevoelige elektronische componenten, vooral halfgeleidercomponenten, deze beschadigen. Dit kan bijvoorbeeld door opgeladen personen of isolerend verpakkingsmateriaal gebeuren. Deze beschadigingen kunnen al optreden bij ontladingen van enkele tientallen volt.
Bij montagewerkzaamheden van elektronische componenten moet(en):
– de werkplek zodanig ingericht zijn, dat geen elektrostatische spanningen kunnen ontstaan;
PBNA/eiyt30/EP
57.98-04.0 10
– geen materialen gebruikt worden, die elektrostatisch oplaadbaar zijn;
– de monteur via een aardband met het aardingssysteem verbonden zijn om oplading te voorkomen.
5 Bliksem
5.1 Inleiding
bliksem Bliksem is het gevolg van een atmosferische ontlading. Wolken kunnen tot hoge spanningen opgeladen worden. Als deze zich naar aarde ontladen, ontstaat er een pad met een grote stroomsterkte. Deze ontlading heet bliksem. De ontlading kan ook tussen wolken onderling plaatsvinden.
Bliksem en beveiliging tegen bliksem is een apart vakgebied. In deze cursus zal er slechts kort op ingegaan worden, voorzover van belang in verband met EMC.
Bij de bespreking van de maatregelen wordt ervan uitgegaan, dat er bliksembeveiligingsinstallatie een bliksembeveiligingsinstallatie (BBI) op een gebouw, waarin de
apparaten, systemen of installatie zich bevinden, geïnstalleerd is.
5.2 Soorten bliksem
Blikseminslagen kunnen in twee soorten verdeeld worden (afbeeldingen 7 en 8) en wel:
Directe inslag
Hierbij wordt een gebouw of constructie, waarin zich een elektrische installatie bevindt, door een blikseminslag getroffen. De
bliksemstroom zal afgeleid worden door bliksemafleiders. Deze zijn verbonden met het aardingssysteem. De volgende effecten kunnen optreden (afbeelding 8):
– een deel van de bliksemstroom gaat door het aardingssysteem en veroorzaakt daarin grote spanningsverschillen. Door deze
spanningsverschillen kunnen apparaten, die op meerdere plaatsen met het aardingssysteem verbonden zijn, bijvoorbeeld via
aardverbindingen of mantels van kabels, beïnvloed worden;
– de stroom door de bliksemafleider(s) veroorzaakt een magnetisch veld. Dit veld kan in kabellussen koppelen en hoge spanningen veroorzaken, die weer storing tot gevolg kunnen hebben;
– het magnetische veld kan direct apparaten beïnvloeden.
Indirecte inslag
Hierbij slaat de bliksem in de omgeving van een gebouw in. In dit geval kan het door de bliksemstroom opgewekte magnetische veld storing veroorzaken. De stroom verdeelt zich niet over meerdere geleiders, zoals bij een inslag in een bliksembeveiligingsinstallatie, en kan daardoor een grote magnetische veldsterkte veroorzaken,
vergelijkbaar met een directe inslag.
Daarnaast bestaat de volgende ontlading:
Wolk tot wolk ontlading
De wolk tot wolk ontlading is een bliksemverschijnsel, dat vaak te weinig aandacht krijgt. De ontlading vindt meestal op grote hoogte plaats.
Het magnetisch veld van de ontlading is zeer uitgebreid, maar heeft op
PBNA/eiyt30/EP
57.98-04.0 11
grondniveau een lage veldsterkte. Bij uitgebreide horizontaal gelegen lussen, zoals bij grote installaties kunnen voorkomen, kan de
combinatie van grote lus met lage veldsterkte echter toch een hoge inductiespanning veroorzaken en tot storing leiden.
5798-040-007-D
Wolk tot wolk ontlading
Vraag 4
Van een bliksem is de stroom 60 kA.
a. Deze kan indirect inslaan op 10 m van het gebouw. Bereken de magnetische veldsterkte aan de rand van het gebouw.
b. Deze kan direct inslaan in een gebouw, waarbij de stroom zich over de bliksemaf leiders verdeeld. Neem aan, dat in elke bliksemaf leider de stroom 10 kA is.
Bereken de af stand tot de bliksemaf leider, waarop de magnetische veldsterkte evengroot is als aan de rand van het gebouw in geval a.
5.3 Karakteristieken van een bliksemontlading
Bliksemontladingen kunnen verschillend van intensiteit en tijdsduur zijn. In normen, bijvoorbeeld de IEC 1024-serie (zie bijlage A), worden de ontladingen daarom in niveaus ingedeeld. De genoemde norm kent vier beschermingsniveaus. De hoogst vermelde niveaus worden aangegeven.
karakteristieken Een bliksemontlading wordt gekarakteriseerd door:
– bliksemstroom
Van de bliksemstroom wordt de topwaarde I in kA aangegeven. Er worden waarden tot 200 kA genoemd.
– bliksemstroomsteilheid
Van de bliksemstroomsteilheid wordt de maximale
bliksemstroomsteilheid dI/dt in kA/µs aangegeven. Er worden waarden tot 200 kA/µs genoemd.
– tijdsduur
Een bliksemontlading bestaat uit meerdere pulsen na elkaar. Om het effect daarvan na te bootsen zijn in de normen een aantal pulsvormen gedefinieerd. De meest gebruikte waarden zijn die van
PBNA/eiyt30/EP
57.98-04.0 12
5798-040-008-D
directe ontlading
gebouw H H H
I
indirecte ontlading
apparaat kabels
aardingssyteem I BBI
I H
uitgebreid magnetisch veld wolk tot wolk ontlading
Afbeelding 8 Bliksemverschijnselen
5798-040-009-D
spanning
t- tijd
u
50 s 1,0
0,5
0,0
µ
1,2µs Afbeelding 9
Bliksempuls ‘1,2/50µs’
PBNA/eiyt30/EP
57.98-04.0 13
de puls ‘1,2/50µs’ (afbeelding 9), waarvan de tijden zijn:
– fronttijd dt = 1,2µs
– tijd tot de halve waardeτ= 50µs – verplaatste lading
De verplaatste lading is I⋅dt of Q in C met waarden tot 100 C.
– specif ieke energie
De specifieke energie is I2⋅dt of W/R in MJ/Ωmet waarden tot 10 MJ/Ω.
Voor de EMC is bij de beïnvloeding door magnetische velden, gegenereerd door bliksemstromen, vooral de stroomsteilheid van belang. Deze bepaald de sterkte van de magnetische velden.
5.4 Berekening van de inductiespanning, veroorzaakt door een bliksemstroom
inductiespanning De inductiespanningen, veroorzaakt door een bliksemstroom, kan worden berekend. De gevolgen van een bliksemstroom door een afleider op een lus wordt behandeld (afbeelding 10). De lus wordt gevormd door netkabels naar twee apparaten met daartussen een signaalkabel, die een lus maakt.
5798-040-010-D
I
vangnet bliksemafleider
apparaat 1
apparaat 2 signaalkabel
netkabel
kabellus H
gebouw bliksem
Afbeelding 10
Bliksemstroom induceert spanning in lus
PBNA/eiyt30/EP
57.98-04.0 14
De geïnduceerde spanning in de lus in lucht wordt berekend met een formule, die afgeleid zal worden uit de Wet van Faraday:
U = dΦ/dt waarin:
U = spanning in V
Φ = magnetische flux in Wb t = tijd in s
De magnetische flux in een lus met oppervlak A is:
Φ=µ ⋅A⋅H waarin:
µ = magnetische permeabiliteit in H/m A = oppervlak lus in m2
H = magnetische veldsterkte in A/m Voor de magnetische permeabiliteit geldt:
µ=µ0⋅µr
Verder geldt:
µ0= 4π10−7= 1,26⋅10−6H/m
lucht:µr= 1 Voor lucht geldt:µr= 1
De magnetische veldsterkte van een draad wordt gegeven door de wet van Biot en Savart. Deze luidt:
H = I/2πr In dit geval is:
r = d
Na invulling van deze formules in de Wet van Faraday volgt hieruit voor de geïnduceerde spanning de formule:
U = dΦ/dt =µ ⋅A (dI/dt)/2πd = 2⋅10−7⋅µr⋅A⋅(dI/dt)/d waarin:
dI/dt = stroomsteilheid in A/s Voorbeeld
Uitgaande van een bepaalde bliksemkarakteristiek en een aanname van de stroomsterkte volgt het volgende voorbeeld (afbeelding 10):
Van een blikseminslag met karakteristiek 1,2/50µs wordt als stroomsterkte een piekwaarde van 60 kA aangenomen, zodat:
dI/dt = 6⋅104/1,2⋅10−6= 5⋅1010A/s
PBNA/eiyt30/EP
57.98-04.0 15
Op een afstand d van de bliksemafleider, waarvoor geldt:
d = 1 m
bevindt zich een lus met een oppervlak:
A = 3 m2
Als deze getalswaarden in de formule voor de geïnduceerde spanning metµr= 1 worden ingevuld volgt:
U = 2⋅10−7⋅µr⋅A⋅(dI/dt)/d = 2⋅10−7⋅1⋅3⋅5⋅1010/1 = 3⋅104V = 30 kV In een nabijgelegen lus veroorzaakt de stroom door een
bliksemafleider dus een spanning van tientallen kilovolt.
In de praktijk zullen meestal meerdere bliksemafleiders aanwezig zijn, zodat de stroom daarover verdeeld wordt en per geleider een lagere stroom loopt. Maar dan nog blijkt uit het voorbeeld, dat als de apparatuur een spanning van bijvoorbeeld 1 kV kan weerstaan en de bliksemafleider een deel van de stroom geleidt, een lus niet binnen een afstand van vele meters van een bliksemafleider aanwezig mag zijn.
Dit betekent, dat in de praktijk extra maatregelen aan de kabellegging genomen moeten worden door of de lus te verkleinen of de kabels af te schermen.
Vraag 5
Bereken de spanning in lucht ten gevolge van een bliksemstroom met een dI/dt = 2⋅1010A/s in een lus met een oppervlak van 2 dm2binnen een niet af geschermd apparaat, dat zich op een af stand van 0,5 m van een bliksemaf leider bevindt.
5.5 Gevolgen van een blikseminslag gevolgen De gevolgen van een blikseminslag kunnen zijn:
a. de installatie wordt niet beïnvloed;
b. de installatie wordt gestoord; na de blikseminslag werkt de installatie weer normaal;
c. een storing van de installatie; na de blikseminslag moet de installatie opnieuw opgestart worden;
d. de elektronica van de installatie is gedegradeerd; dit komt vooral voor bij een directe inslag;
e. de elektronica van de installatie is vernield; dit komt voor bij een directe inslag.
De bliksembeveiligingsinstallatie moet zodanig uitgevoerd zijn, dat een directe inslag op apparatuur niet mogelijk is. De gevolgen van een directe inslag op de BBI moeten verkleind worden door het nemen van EMC-maatregelen, die vooral berusten op aardingsmaatregelen, het vergroten van afstanden tot bliksemafleiders en het verkleinen van lussen in de bekabeling.
6 Demping
Bij EMC-maatregelen is het vaak belangrijk het effect van de maatregel in een getalswaarde uit te drukken. Het effect van de
demping maatregel wordt demping genoemd.
PBNA/eiyt30/EP
57.98-04.0 16
Het signaal aan de buitenzijde van de maatregel zal het ingaande signaal genoemd worden en aangeduid worden met ‘in’ en het signaal binnen het gebied van de maatregel het uitgaande signaal, aangeduid met ‘uit’.
De demping is de verhouding tussen de amplitude van het ingaande signaal en de amplitude van het uitgaande signaal. De verhouding wordt meestal in dB uitgedrukt.
Er zullen enige voorbeelden gegeven worden.
Vermogenseenheden
vermogenseenheden Voor vermogenseenheden is de demping 10 maal de logaritme van de verhouding van de ingaande en uitgaande signaal.
De demping D voor een vermogen P is:
D = 10 log (Pin/Puit) waarin:
D = demping in dB
Pin = vermogen voor de demping Puit = vermogen na de demping
Meestal wordt met eenheden als spanning, stroom en veldsterkten gerekend, die evenredig zijn met de wortel uit het vermogen. In dat geval wordt de demping berekend als 20 maal de logaritme uit de verhouding van de signalen. Voorbeelden zijn:
Spanning
De demping D voor een spanning U is:
D = 20 log (Uin/Uuit) waarin:
Uin = spanning aan de ingaande zijde in V Uuit = spanning aan de uitgaande zijde in V Stroom
De demping D voor een stroom I is:
D = 20 log (Iin/Iuit) waarin:
Iin = stroom aan de ingaande zijde in A Iuit = stroom aan de uitgaande zijde in A Elektrische velden
De demping D voor de elektrische veldsterkte E is:
D = 20 log (Ein/Euit) waarin:
Ein = elektrische veldsterkte aan de bronzijde in V/m Euit = elektrische veldsterkte aan de uitgaande zijde in V/m
Voor andere grootheden, zoals inductie B, magnetische veldsterkte H, magnetische fluxΦenzovoort, kan de demping op soortgelijke wijze gedefinieerd worden.
PBNA/eiyt30/EP
57.98-04.0
17Vraag 6
a. Een af schermwand dempt een elektrisch veld van een bepaalde f requentie met een veldsterkte van 10 V/m tot een waarde van 0,3 V/m. Bereken de demping van de wand.
b. Een f ilter heef t in een bepaald f requentiegebied een demping van 40 dB. De amplitude van een stoorspanning bedraagt 2 V. Bereken de waarde van de stoorspanning na het f ilter.
Er kan ook gebruiktgemaakt worden van lijstjes met dB-waarden (tabel 2). Hierin staan globale waarden. De preciese waarden zijn alleen voor zeer nauwkeurige berekeningen bedoeld, die meestal in de EMC niet voorkomen. In de praktijk worden daarom ook geen cijfers achter de komma gebruikt. Het is aan te bevelen de globale waarden uit het hoofd te leren.
Tabel 2
Omrekentabel van dB-waarde naar verhouding
verhouding