Experimental investigation and modeling of electrostatic discharges (ESD) for charged dielectric materials

Durch den zunehmenden Einsatz von Kunststoffen beziehungsweise kunststoff-beschichteten Materialien treten in der Praxis verschiedene Probleme durch die Auf- und Entladung dieser Isolierstoffe auf. Zwischen der aufgeladenen Oberfläche und geerdeten Objekten, die sich in der Nähe befinden oder angenähert werden, können elektrostatischen Entladungen (ESD) stattfinden. Diese führen einerseits zu einer ungewollten Beeinflussung empfindlicher Elektroniken in Geräten und Sensoren und zum anderen stellen diese impulsförmigen Entladungen eine Gefahr der Entzündung von Gasgemischen dar. Die Auf- und Entladung von Isolierstoff-Oberflächen ist abhängig von den klimatischen Umgebungsbedingungen, wie relativer Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Deshalb wurde der gesamte entworfene Messaufbau in einer Klimakammer untergebracht. Die untersuchten Ausgangsparameter sind die Flächenladungs-dichte bzw. das Oberflächenpotential, der Entladungsabstand und das verwendete Material sowie dessen Dicke. Es wurde von einer ebenen und sauberen Anordnung der aufgeladenen Fläche ausgegangen. Auf der Rückseite stehen die Isolierstoffe in direktem Kontakt mit einer geerdeten leitfähigen Platte, wodurch um Größenordnungen höhere Flächenladungsdichten möglich sind. Abhängig von den Ausgangsparametern können zwei Entladungsarten auftreten, die Büschel- und die Gleitstielbüschel-Entladung. Mit den vor und nach der Entladung gemessenen Flächenladungsdichte-Verteilungen auf der Oberfläche kann die sich entladende Fläche und die entladene Ladungsmenge bestimmt werden. Bei der Büschelentladung wird nur ein begrenzter Teil der Oberfläche entladen. Die entladene Ladungsmenge in einer dreidimensionalen Darstellung bildet die Form eines Kegels, mit dem Fußpunkt der Entladung im Zentrum. Die Büschelentladung kann bei höherem Aufladungs-potential eine Gleitstielbüschel-Entladung einleiten, bei der viele Entladungskanäle auf der Oberfläche entstehen, die sich radial vom Entladungspunkt fortbewegen, verzweigen und somit eine große Fläche entladen. Diese Darstellung wird auch als Lichtenbergfigur bezeichnet. Durch die wesentlich größere entladene Fläche als bei der Büschelentladung, ist die entladene Ladungsmenge und damit die im Funkenkanal umgesetzte Energie bei der Gleitstielbüschel-Entladung um Grössenordnungen größer. Die entladene Ladungsmenge sowie die umgesetzte Energie können mit dem gemessenem Entladungs-strom-Impuls berechnet werden. Ein für die Praxis wichtiger Wert ist der Betrag des Oberflächenpotentials, bei dem die Büschel- in die Gleitstielbüschel-Entladung übergeht. Dieser wurde in Abhängigkeit von dem Material und dessen Dicke ermittelt und durch eine Funktion approximiert. Mit Kenntnis dieses Grenzaufladungs-Potentials kann man abschätzen, ob eine Gleitstielbüschel-Entladung, die ein wesentlich höheres Gefährdungspotential als die Büschelentladung aufweist, auftreten kann oder nicht. Für den Bereich der Büschelentladungen wurden, ausgehend von den durchgeführten Messungen, Funktionen approximiert, welche den Entladungskegel und den Entladungsstrom-Impuls als Funktion der Ausgangsparameter beschreiben. Auch wenn aus einer Reihe von Messbeispielen, die zu den angegebenen Beschreibungsformeln führten, keine Allgemeingültigkeit abgeleitet werden kann, so sind die Approximationsformeln in der Praxis doch ein gutes Mittel, um schnell und ohne Messung die sich entladende Fläche, die dazu-gehörige entladene Ladungsmenge und die zu erwartende umgesetzte Energie im Funkenkanal abzuschätzen. Parallel hierzu wurde ein PSpice-Modell entwickelt, welches ebenfalls die Bestimmung der umgesetzten Leistung bzw. Energie während der Entladung ermöglicht. Im Gegensatz zu den Untersuchungen bei Büschelentladungen, bei denen Parameterstudien für einige Parameter durchgeführt wurden, ist bei der Gleitstielbüschel-Entladung das prinzipelle Verhalten am Beispielmaterial PVC in Abhängigkeit vom Parameter Flächen-ladungsdichte untersucht worden. Anhand von Messungen an einem Kanal und der Betrachtung der zeitlichen Ausbreitung der Entladungskanäle wurden Kenngrößen für die Gleitentladung abgeleitet. Diese sind die mittlere entladene Flächenladungsdichte, der mittlere Radius der entladenen Fläche und die gesamte entladene Ladungsmenge. Die Abhängigkeit dieser Größen vom Parameter Flächenladungsdichte wurde ermittelt und mit approximierten Funktionen angegeben. Mit diesen Vorkenntnissen wurde ein einfaches Modell abgeleitet, welches die Bestimmung des Entladungsstromes und damit die Abschätzung der im Funkenkanal umgesetzten Energie ermöglicht. Die radiale Entwicklung der Entladungskanäle und die Startzeiten der einzelnen Kanäle sind statistisch auftretende Größen, die die Form des Stromimpulses erheblich beeinflussen. Die Voraussage der genauen Form des Stromimpulses und damit der umgesetzten Energie einer speziellen Messung ist deshalb nicht möglich. Für eine Abschätzung der maximal möglichen umgesetzten Energie ist das Modell jedoch gut geeignet.Due to the increasing use of plastics or plastic-coated materials different kinds of problems, like charging and discharging, can occur. Insulating surfaces are considerably charged by material separation, flowing liquids or electrical fields. For this reason discharges can develop between the charged surface and a near grounded conductive object. These transient gas discharges discharge the insulating surface in a locally limited surface area. The value of the area of the discharged surface is dependent on some physical parameters. This value define the value of the transported charge and consequently the value of the dissipated power and energy in the discharge channel. On the one hand, this electrostatic discharges (ESD) can influence sensitive devices and systems. On the other hand, these discharges represent a risk to generate an ignition of gas-air mixtures. In this work, the specific aspect of the ESD, the discharge of charged insulating surfaces is investigated in detail. Two kinds of discharges can appear depending on the value of the surface charge density, the brush discharge and the surface discharge. For the investigation of these discharges, a measurement set-up was designed. With this measurement set-up, the surface charge density before and after the discharge and the discharge current can be acquired. The measured discharged charge density and the measured discharge current are analyzed for several physical parameters. For the evaluation of the ESD danger potential an easy model and an estimation of the discharge phenomena of insulating materials are derived. A criterion of the evaluation of the danger potential is the dissipated power or the energy during the discharge, respectively. By using the approximated functions of the brush discharge the discharged surface charge density and the discharge current can be calculated depending on the basic parameters. The estimation of the dissipated power and energy and the evaluation of the danger potential is possible without carrying out a measurement. With the derived PSpice model for the brush discharge it is possible, too. The value of the surface potential where the discharge pattern changes from the brush discharge to the surface discharge was determined. A function, that depends on some parameters, describes this transition value. In the case of the surface discharge, the discharge phenomena are investigated by the example of the material PVC. Here, with both developed models the estimation of the dissipated power and energy and the evaluation of the danger potential is possible