Védekezés az elektromos kisülések ellen – Vezetőképes (ESD) és antisztatikus padlóburkolatok

A vezetőképes és az antisztatikus padlóburkolatok rendkívül fontos szerepet játszanak a modern világban. Fő feladatuk az elektromos kisülések meggátolása. De mi is az-az elektromos kisülés?

Az elektromos kisülés

Az elektromos kisülés olyan folyamat, melyben hirtelen elektromos energia szabadul fel. Például villámcsapáskor következik be, de ezen az elven működik a villamos ívhegesztés is.

Ha a negatív és pozitív elektromos töltések elég közel kerülnek egymáshoz, a két töltés között vonzás alakul ki. Ilyenkor hirtelen egy (vagy több) elektromos ív jelenik meg. A szikrakisülés kialakulását azzal magyarázhatjuk, hogy az elektromos mező nagy térerősségének hatására néhány semleges gázrészecskéből egy-egy ionpár képződik, azaz a gáz ionizálódik.

A keletkezett pozitív ionok a gázban a katód felé, a negatív ionok az anód felé gyorsulnak. Mozgásuk közben semleges részecskékkel ütközve további ionok keletkezését váltják ki. Az így kialakuló láncreakcióban a töltéshordozók száma rohamosan növekszik, és rövid idő alatt jelentős mennyiségű töltés halad át a gázon.

A kisülés következtében a felhalmozott töltések mennyisége, és az általuk létrehozott térerősség csökken.
Ennek következtében az ionok kevésbé gyorsulnak, így nem jön létre további ionizáció. Ezzel párhuzamosan egyre több pozitív és negatív ion semlegesíti egymást. Ezt az ionizációval ellentétes folyamatot rekombinációnak nevezzük. A térerősség csökkenése és a rekombináció végül a szikrakisülés megszűnéséhez vezet.

A szikrakisülésben a nagy sebességű részecskék miatt a gáz belső energiája megnő, a gáz felmelegszik. A hőmérséklet hirtelen emelkedése a gáz gyors tágulásával jár együtt. Ez okozza a szikrázáskor hallható sercegő hangot, de így jön létre a villámlást kísérő mennydörgés is. A nagy energiájú részecskék széles frekvenciasávban elektromágneses hullámokat bocsátanak ki (köztük látható és UV fényt is).

Mindennapi életünk és munkánk során bosszúságot, kellemetlenséget, kárt okozhat, sőt néha veszélyt jelenthet az elektrosztatikus feltöltődés, illetve annak kisülése.

A „kellemetlenség” kategóriába tartozik például az apró csípés, amit télen, száraz időben az autóból kiszállva az ujjunk hegyén érzünk, mikor újra a kilincshez nyúlunk, hogy lássuk, tényleg bezárta-e az ajtót a távirányító.
Veszély és kár akkor merül fel, ha a modern technológia termékei, kisülésre érzékeny elektronikus alkatrészek, berendezések kerülnek a környezetünkbe.

Az integrált áramkörök (IC-k) igen érzékenyek az elektrosztatikus kisülésre (angolul: Electrostatic Discharge=ESD).
A hirtelen fellépő nagy áramerősség ugyanis vezetékeket, eszközöket tehet tönkre (szemléletesen „kiégetheti” azokat). Pusztán egy emberi kéz közelsége (még a tok érintése sem szükséges hozzá) képes létrehozni a kisülést, ugyanis az emberi test könnyen képes több kV-ra feltöltődni. A meghibásodás veszélye különösen jelentős a MOS alapú technológiával készült áramkörök esetén, ugyanis az ezzel a technológiával készített tranzisztorok vezérlő elektródáján (gate) könnyen gyülemlenek fel töltések, melyek gyors távozása a tranzisztor csatornájába tönkreteheti a gate és a csatorna között lévő oxidot. Az oxid szerkezetében történő kis változás is (pl. ionizáció) a tranzisztor működésképtelenségét eredményezheti.

Az integrált áramkörök ki- és bemenetei védődiódákkal vannak ellátva. Ha az egyik láb mentén a töltésfelhalmozódás a lábon mérhető feszültség túlzottan megnövekedne (tápfeszültség + a dióda nyitófeszültsége), vagy túlzottan lecsökkenne (földpotenciál + dióda nyitófeszültsége), akkor a felesleges töltések a diódákon keresztül elvezetődnek.

Elektronikus készülék gyártása során különös figyelmet szentelnek ennek a jelenségnek, ami a múltban az egyik leggyakoribb meghibásodási ok volt. A szabályok be nem tartása miatt még a napjainkban is komoly gondot jelent ez a jelenség. A feltöltődés legfőbb forrása maga az ember, elegendő egy műszálas nadrág és mozgás közben máris több kV-ra tud “feltöltődni” az emberi test. Ennek okán a gyárakban a munkások, a munkaasztalok, munkaterek és eszközök, mind azonos potenciálra vannak kényszerítve, hogy elkerüljék az elektromos kisülés okát, a potenciálkülönbséget. Ezt a rendszert nevezzük “EPH” rendszernek. A munkások földelése a padlón keresztül valósul meg. Egy elektromosan jól vezető padló valamint vezető cipő, esetleg pánt segítségével a munkások bőrét a földelt padlóval elektromosan összekötik, így a testen vagy a bőrön felhalmozott töltések a föld felé távozhatnak. Így megelőzve az elektrosztatikus feltöltődést és kisülést.  Ezért aztán a különböző szabályozások és az ezeket keretek közé terelő szabványok egyre többet foglalkoznak a padlóval – mint a legnagyobb felülettel, amelyen mozgunk. Korábban két kategória volt ismert az építészek, kivitelezők, felhasználók körében: az antisztatikus és a vezetőképes padló. Mindkettő ellenállását objektív, műszeres eljárással mérték. Az általánosan elfogadott ellenállási érték
10^6 < R < l0^9 ohm [Ω] volt az antisztatikus, illetve R < l0^6 ohm [Ω] a vezető­ képes padló esetében.

Új szabvány a műszeres ellenállás mérésére és kiértékelésére

Az új, MSZ EN IEC 61340-4-1 szabvány pontosította a műszeres ellenállás mérés módszerét és értékelését, az
MSZ-EN-61340-4-5 pedig a mozgó személy elektrosztatikus feltöltődése szubjektív mérésének módszerét. További irányadó szabványok: MSZ EN 1081 ás 1815. Sajnos, a kategóriák módosításakor a korábbi „antisztatikus” megnevezés megmaradt, de új értelmezést  kapott a szabványalkotóktól.

Az új besorolás szerint:

• antisztatikus az a padlóburkoló anyag, illetve burkolat, amely a 61340-5 szabvány szerint mérve kevesebb, mint 2000 volt [V] feszültséget kelt a rajta közlekedő sze­mélyen;
• elektrosztatikusan levezető (disszipatív) az-az anyag vagy burkolat, amelynek a 61340-1 szabvány szerint szabványos műszerrel, elektródával és mérőfeszültséggel mért ellenállása R < 1*10^9 ohm [Ω]
• elektromosan vezetőképes, ha a mért ellenállási érték 5*10^4 < R < 1*10^6 ohm [Ω]

Összehasonlításképpen:

Mire jó az antisztatikus burkolat?

Az egyik fő előnye, az emberi komfortérzet javítása. Szubjektív kísérletek tanulsága, hogy az átlagember érzékelési küszöbértéke elektrosztatikus kisülés esetén kb. 2000 volt (ez természetesen az egyén ruházata, a levegő páratartalma és sok minden más körülmény függvénye). 2000 volt alatti feltöltődés/kisülés esetén tehát a személy nem feltétlen érzékeli a kisülést, még ha az be is következett.

A megfelelő védelem

Elektronikai, számítástechnikai berendezéseket a fentiek szerint minősített antisztatikus padlóval védeni nem lehet. Ennek oka egyszerűen az, hogy ezeknek a berendezéseknek, alkatrészeknek az emberénél sokkal nagyobb az érzékenysége a kisülésekre. Ezért aztán az iparban, egészségügyben stb. szükséges ESD (Electro Static Discharge) elleni védelmet (ESP; Electro Static Protection) a disszipatív, illetve vezetőképes burkolatokkal kell megoldani.

A nem kellően védett helyiségek, eszközök, folyamatok hatása néha felmérhetetlen. Egy, még nem tokozott elektronikai alkat­ részt akár 5-10 voltos kisüléssel tönkre lehet tenni – vagy, ami még rosszabb, ún. látens hibát okozni benne.

A látens károsodás a minőségellenőrzésnél nem jelentkezik. A károsodott alkatrészt beépítik egy berendezésbe, amelyben, a látens hibát hordozó alkatrész felmondja a szolgálatot. Disszipatív burkolatok beépítése javasolt például orvosi vizsgálókba (ahol elektroni­kus berendezések, pl. CT, MR, PET működ­nek), gyógyászati kezelőkbe, az elektronikai iparban részegységeket összeszerelő üzembe, telefonközpontokba , szerverszobákba stb. Vezetőképes burkolatokat kell alkalmazni az egészségügy területén műtőkben, intenzív osztályokon. Az iparban elektronikai, optikai alkatrészek gyártása, beépítése során, illetve minden „tiszta térben”. Az elektrosztatiku­san feltöltődött tárgyak , felületek – így a padló is – vonzzák, illetve magukon tartják a levegőben lebegő porszemcséket. A padlót ugyan le lehet „földelni”, azonban a tárgyak egy része szigetelő anyagból készül, így ezekről a töltéseket eltávolítani, elvezetni nem lehet. Ezeken, az ESD ellen fokozottan védett területeken a védelem egy fontos, kihagyhatatlan része a vezetőképes padló de önmagában kevés. Más, kiegészítő módszerekkel (ionizálás, a személyzet biztonságos bekötése az egyenpotenciál hálózatba stb.) kell a komplex védekezést megoldani. Fontos megérteni , hogy a vezetőképes pad­ lóburkoló anyag csak vezetőképes ragasz­ tóággyal, illetve az ebben elhelyezett, az egyenpotenciál hálózatba bekötött, vezető­ képes (általában réz) fóliacsíkokkal együtt képez vezetőképes rendszert.

A leírtak alapján elkészült burkolatot időszakosan műszeres ellenállásméréssel ellenőrizni kell vezetőképesség szempontjából (egyes burkolati típusok vezetőképessége csökken­het az élettartam folyamán, illetve változhat pl. a helyiség levegőjének páratartalmától függően).

A műszeres méréshez erre a célra gyártott, hitelesített műszerrel kel végezni (zárt áram­ kör esetén is a szabványban előírt 10, illetve 100 volt egyenfeszültséget kell biz­tosítaniuk).

Mitől vezetheti az elektromosságot egy PVC padló?

A fenti kérdés abszurdumnak tűnhet, hiszen maga a PVC egy elektromos szigetelő anyag. A PVC padlóburkolat vezetőképessé tételére két alapvető technológia ismeretes:

1. A hengerelt (kalanderezett), tekercses PVC burkolatok anyaga olyan folyé­kony halmazállapotú, a felületre folyamatosan migráló adalékot tartalmaz, mely a levegő páratartalmát megkötve, a burkolat felszínén az elektromosságot vezető filmet képez. Hátránya, hogy az adalék a burkolat élettartama folyamán folya­matosan fogy, ezzel a vezetőképesség csök­ken. A vezetőképesség ugyanakkor függ a helyiség levegőjének relatív páratartalmától is (a tisztaterekben pl. ez az érték mindig alacsony).

2. A statikus préseléssel készült PVC bur­koló lapok, melyek teljes vastagságukban szilárd halmazállapotú, vezetőképes ere­zetet tartalmaznak. Ezek elektromos vezetőképessége állandó, független a környezeti klímától és nem csökken az élettartam folyamán.

A vezetőképes padlóburkolatok telepítése

Előfeltétel, hogy az aljzatnak, simának, tisztának, tartósan száraznak, repedéstől, valamint tapadást gátló anyagoktól mentesnek, megfelelő nyomó- és húzószilárdságúnak kell lennie, valamint az aljzatbeton nedvességtartalma maximum 2,0 CM % lehet.
Tehát amennyiben szükséges a felületi egyenetlenségeket aljzatkiegyenlítővel kell kiegyenlíteni és várni annak teljes száradásáig. 
Az aljzatkiegyenlítést követően a földelés kialakításához szükséges öntapadós rézszalagból kell rácsrendszert kialakítani a lenti leírásnak megfelelően. A padlóburkolatot egy nappal a fektetés előtt a helyszínen legalább + 18 °C hőmérsékleten kiterítve pihentetni kell. Méretre vágás után a padlót magas minőségű, vizes bázisú vezetőképes ragasztóval kell leragasztani, ügyelve arra, hogy a ragasztás folytonos legyen, legfőképp a rézszalagok felett. 

Tekercses padlóburkolat használata esetén a rézszalagnak az összes padlótekercs alatt hossz és keresztirányban is végig kell futni.
Fontos hogy a tekercsek szélétől minimum 200 mm-re fusson a rézszalag, de a legjobb megoldás, ha a tekercsek közepén futtatjuk végig. A burkolandó terület széleihez eső rézszalag esetén is érdemes tartani a 200 mm-es távolságot a faltól mérve.

A földelési pontok kialakítása során fontos, hogy a kivezetendő rézszalagnak, tekercses padlóburkolat használata esetén az összes padlótekercs alatt keresztirányban kell futni. Bármelyik padló pont távolsága a folyamatos rézszalagtól nem lehet 10 méternél nagyobb. Ha a helyiség hossza kisebb 10 m, a tekercsek alatt 1 rézszalagot tegyünk keresztirányban. Ha a helyiség hossza 10-20 m, az egy rézszalagot középre fektessük. Ha a helyiség hossza 20-30 m, két rézszalagot fektessünk úgy ,hogy bármelyik padló pont távolsága a folyamatos kivezetendő rézszalagtól ne legyen 10 méternél nagyobb.

Moduláris padlóburkolat használata esetén fontos, hogy a rézszalag minden egyes modul alatt áthaladjon, lehetőleg a modul középpontjában. A lapokat vezetőképes ragasztóból és rézszalagból álló rendszer segítségével szintén be kell kötni a földelő hálózatba. A földelést a helyiségek rövidebb falaival párhuzamosan, 20 méterenként elhelyezett rézszalagokkal kell kialakítani.

A rézszalagot többnyire az épület földelő hálózatába kötik be. Elektrosztatikus kisülésre (ESD) fokozottan érzékeny területeken a rézszalagokat külön hálózatba kell bekötni. A földelést minden esetben a helyi építésügyi és villamossági előírásoknak megfelelően kell kialakítani.

A vezetőképes burkoláshoz szükséges anyagokat (vezetőképes padlóburkolat, vezetőképes ragasztó, öntapadós rézszalag) az alábbi linken tudják megvásárolni:

A fontos kivétel

Szinte minden épületben található ún. elektromos fogadó­ helyiség. A magas villamos feszültség élet­védelmet követel, tehát az ide beépített padlóburkolatnak szigetelőnek (nagyon magas elektromos ellenállásúnak) kell lennie – tehát a fent ismertetett burkolatok szöges ellentétéről van szó. Ide disszipatív, veze­tőképes burkolatot betervezni, beépíteni súlyos tévedés (antisztatikust pedig nem érdemes – semmi jelentősége). A szigetelő padlóburkolatokkal az MSZ-EN 61111 szab­vány foglalkozik.

Forrás: Szikrakisülés
Link: https://hu.wikipedia.org/wiki/Szikrakis%C3%BCl%C3%A9s

Forrás: Védekezés az elektrosztatikus kisülés ellen – Padlóburkolatok elektromos vezetőképessége
Kende László – műszaki igazgató Top Trade Kft.
Link: https://www.toptrade.hu/assets/vezetokepes-Magyar-Epitestechnika_2014_TopTrade.pdf