ESD-ionisering

Nyttig å vite  – Balansert Ionisering
Jording er et nøkkelord innen ESD-sikring, jording av personer, utstyr, gulv- og bordbelegg, stoler, reoler etc. Men hva med materialer som ikke kan jordes men som likevel er nødvendig innenfor EPA(ESD Protected Area) og nær ESDS¹?  Vi snakker om isolerende materialer som plast, glass, gummi, teflon samt kretskort mv. Isolatorer kan ikke lede strøm som konduktive materialer, men de kan lades opp triboelektrisk. Det er ingen grunn til å bekymre seg for elektrostatiske utladninger fra isolatorer, det er det elektriske feltet som omgir de som skaper problemer. Alle oppladede personer og gjenstander er omgitt av et elektrisk felt. Et elektrisk /elektrostatisk felt kan forårsake elektrostatisk induksjon hos ESDS som utsettes for feltet. Elektrostatisk induksjon er en av hoved- årsakene til ESD-skader. Altså må vi sørge for å nøytralisere feltet.

Elektrisk oppladede konduktive materialer nøytraliseres ved jording, men for isolerende materialer finnes det i praksis bare en effektiv metode for nøytralisering, og det er balansert luftionisering. Ionisering benyttes i stor utstrekning innen elektronikkindustrien og på områder hvor statisk elektrisitet av ulike årsaker utgjør et problem. En ioneviftes oppgave er å nøytralisere det elektriske felt som oppstår rundt elektrostatisk oppladede, isolerende materialer. De fleste ioneviftene på markedet fungerer etter Corona-prinsippet, og det er disse vi skal konsentrere oss om. En annen ioniseringsteknologi, Alfa-ionisering, basert på radioaktiv nedbrytning av Polonium 210, blir også omtalt.

Hva er luftioner?
Et ion er et atom eller molekyl som har en positiv eller negativ elektrisk ladning fordi det har mistet eller tatt opp elektroner, atomet/molekylet er altså ikke lengre elektrisk nøytralt. Et luftion er et elektrisk ladd molekyl som er en blanding av gasser, inkludert nitrogen, oksygen, karbon- dioksyd, vanndamp samt også spor av andre gasser. Luftioner forekommer naturlig  i lufta i et forhold 1.2:1 i favør av positive ioner. Hvis et ion utsettes for et elektrisk felt, vil det bevege seg med en hastighet avhengig av feltstyrken og i en retning avhengig av både feltretningen og ionets polaritet som kan være positiv eller negativ.

Alfa-ionisering
Alfa-ionisering er den klart mest effektive metode for nøytralisering av oppladede, isolerende materialer. I motsetning til Corona-ionisatorer som benytter generering av elektrostatiske felt til ioneproduksjon, benytter  Alfa-ionisatorer et radio- aktivt grunnstoff, Polonium 210, som pga radio- aktiv nedbrytning avgir alfa-partikler (helium-kjerner). Alfa-partiklene kolliderer med luftmole- kyler som får revet løs elektroner og demed blir positive ioner. Elektronene får ikke operere særlig lenge på egen hånd før de blir fanget opp av nøytrale molekyler som blir til negative ioner. Fordelene med alfa-ionisatorer er: Perfekt ione- balanse (0 offset spenning), ypperlig i renrom, behøver ingen elektrisk strømforsyning og er der- 
for velegnet i brannfarlige og eksplosjonsfarlige miljøer. Alfa-ionisatorer er vedlikeholdsfrie. Leveres i mange forskjellige utgaver, overhead, bordplassering, ioniseringspistoler etc.
Ulemper: Kostbare, trenger utskiftning årlig fordi halvparten av effekten er borte etter 138 dager (halveringstid for Polonium 210).  Radioaktivitet kan virke skremmende på mennesker. Spesielle håndteringsregler. Ta gjerne kontakt med Statens Strålevern før eventuell anskaffelse.

Corona-ioniseringsvifter
Corona-ioniseringsvifter benytter et kraftig elektrisk felt som dannes ved å påtrykke høyspenning (5– 20kV) på nålespisser (emittere) til å akselerere elektroner. En del frie elektroner er alltid til stede i atmosfæren. Et positivt felt påvirker frie elektroner til å akselerere mot emitterne. På veien kolliderer de med luftmolekyler som får revet løs elektroner og dermed blir positive ioner. Det positive feltet frastøter de positive ionene, fortrinnsvis i retning mot det isolerende materialet som skal nøytraliseres. På samme måte vil et kraftig negativt elektrisk felt sende frie elektroner bort fra emitterne, de kolliderer med luftmolekyler som genererer flere frie elektroner som fanges opp av nøytrale molekyler nær emitterne. De negative ionene frastøtes av det negative elektriske feltet. Et oppladet objekt tiltrekker seg ioner av motsatt polaritet og en rekombinasjon finner sted.

Hva sier ledende ESD-standard IEC61340-5-1 om ioniseringsvifter?
Når ioniseringsvifter inngår i et ESD-program skal de kunne redusere en ladning fra 1000V til 100V på <20 sek. og offset spenning <+/-35V. En god ioniseringsvifte klarer å redusere fra 1000V til 100V på kanskje 4-5 sek. og en langt lavere offset-spenning.
Det er viktig at ionebalansen blir best mulig ellers kan ioneviften risikere å virke mot sin hensikt, nemlig å lade opp gjenstanden/materialet i stedet for å nøytralisere. Mange ione- vifter har korrigeringskretser som sørger for god balanse og stabilitet i ioneproduksjonen (anbefales).


Viktig å vite
Det er flere forhold som avgjør ioniseringseffekten og som  man må ta hensyn til for å få optimal nytte av viftene. Det må ikke være hindringer som forstyrrer luftstrømmen mellom ioneviften og «arbeidsstedet».  Ujordede elektrisk ledende objekter i ionestrømmen
må jordes, ellers kan de ta opp ladning fra viftene.  
Vær også oppmerksom på effekten av spennings- undertrykkelse (voltage suppression).
F.eks. et oppladet isolerende plastark som ligger på arbeidsbordet vil ikke bli nøytralisert av ionestrømmen fordi det elektrostatiske feltet har kollapset. Det kan forklares med  utgangspunkt i den grunnleggende formelen i elektroteknikk  Q=C x V (ladning = kapasitans x spenning).  
Når arket ligger ned mot bordflaten er kapasitansen maks.og spenningen minimal. Løftes arket fra bord-platen kan man enkelt med en feltmåler sjekke at spenningen stiger og at det elektrostatiske feltet er fullt til stede. Ioniseringen har har hatt null effekt på plastarket, så vær på vakt!
Emitterne krever rensing/utskiftning. Med tiden vil de avgi partikler. Spesielt i renrom er det uakseptabelt.

AC(Vekselstrøm)-ioniseringsvifter
Denne viftetypen er den mest benyttede og har den enkleste teknologien., er derfor også rimeligst i anskaffelse. Høy spenning påtrykkes nåler (emittere) som produserer henholdsvis positive og negative ioner i takt med nett- frekvensen (50Hz i Norge). Ioniseringseffekten er lav fordi positive og negative ioner følger tett etter hverandre fra de samme emittere separert i tid med bare en halvperiode (1/100s). Det betyr at tap av ioner pga rekombinasjon
kan bli betydelig. For å minimere ionetapet, benyttes høy viftehastighet til å transportere ionene mot «arbeidsstedet». Det gjør at AC-ionevifter er lite egnet i f.eks. renrom. Dessuten kan ustabil nettfrekvens påvirke ionebalansen og nøytraliseringseffekten.

HDC(-AC Hybrid ionizerteknologi utviklet og patentert av Shishido i Japan
Virkemåten skiller seg klart ut ifra vanlig AC-ionisering.
Hos vanlige AC-ionisatorer basert på corona-ionisering benyttes en transformator til å drive opp spenningen til flere tusen volt for å generere ioner på emitternålene, 220V/50Hz nettspenning tilføres på primærsiden.
AC-Hybrid ionisatorer benytter en patentert strømforsyning som sørger for stabil tilførsel av strøm vha digital regulering (PBM, se forklaring nederst på siden) på primærsiden av en trådviklet ultrakompakt trafo.

Hvilke fordeler har AC-hybrid teknologien?
     -Stabil nøytraliseringsevne over lange tidsperioder

     -Langt mindre emitternålslitasje og mindre smussbelegg

     - Svært lav ozonutskilling

     -Enestående ionebalansefunksjon
(Amplitydemodulasjon styrer mengden av ioner som genereres og  posisjonsmodulasjon som sørger for at emitternålen absorberer overskuddsioner)

Sjekk her:   

http://www.shishido-esd.co.jp/english/products/winstat/bf-x2mb/index.html
 

DC(Likestrøm)-ioniseringsvifter
DC-viftene benytter separate emittere for å produsere henholdsvis positive og negative ioner vha høy positiv og negativ likespenning. Ioniseringseffekten er langt høyere
enn hos AC-viftene. Fordi lavere luftstrømshastighet kan benyttes, er de også velegnet i renrom.
Ionebalansen er bedre enn hos AC-viftene, noe som gjør de mere anvendelig til ESD-beskyttelse av svært følsom ESDS. DC-vifter er mere komplisert enn AC-vifter og prisen er høyere.


Pulsed DC(Likestrøm)-ioniseringsvifter
Denne teknologien er den mest avanserte og mest effektive blant Corona-ionevifter. Separate strømforsyninger benyttes for å generere positive og negative spenninger til emitterne. Metoden gir mulighet for forhåndsinnstilling av tidsintervallet for av/påslåing av emitterne samt forholdet mellom antallet positive og negative ioner som produseres (ioniseringsfrekvensen). Frekvensen er langt lavere enn hos AC-vifter slik at rekombinasjon av ioner reduseres betydelig og ytelsen øker deretter. Luftstrømmen kan kontrolleres
etter behov uten at det går utover ytelsen. En minimum pulseringsfrekvens på 2-3 ggr/s er viktig for å unngå for høye spenningssvingninger på objektet som skal beskyttes. Virkemåten tillater at viftene gjerne kan plasseres i tak, 5 m eller høyere. Pulsed DC-vifter er vanligst i renrom.

Ioneviftene leveres i ulike utgaver for best mulig tilpasning til sin oppgave. Vanlige typer i et elektronikkmiljø er: Overhead-vifter, benchtop-vifter og ioniseringspistoler.
Alle kan leveres i AC eller DC versjon. Det er viktig å passe på at ione-luftstrømmen ikke forstyrres av luftstrømmer fra andre vifter eller fra ventilasjonsanlegget.

Overhead ionevifte
Som navnet forteller er overhead-viften konstruert plassering over arbeidsstedet, enten ved å henge ned fra taket eller under ei hylle. Fordelen med denne typen er at de tar opp minimalt med plass, er relativt stillegående, bra dekningsareal. Leveres i både AC og DC-versjon. Henges vanligvis 50-100cm over arbeidsstedet. Effektiviteten varierer med vifte-hastighet og avstand til "arbeidsstedet".


Benchtop ionevifte
Viftetype som egner seg til mindre nøytraliseringsoppgaver.
Kan stå på arbeidsbord eller monteres på vegg. Finnes både i
AC og DC-versjon.
Rimelig i ankaffelse, støyer generelt mere enn overheadvifter.

 

Ioniseringspistol
Nøytraliserer elektrostatisk ladning hurtig, fjerner støv og partikler på bl.a. elektronisk utstyr. Svært anvendelig og fleksibelt apparat. Er avhengig av trykkluft.

Corona-ionisering og ozon
Et biprodukt av corona-ionisering er ozon. Ozon kan forårsake luftveis- og øyeirritasjon, sår hals, hodepine og moderat åndenød. Ozonutskillingen fra viftene er oftest svært lav
og godt under maks. grenser satt av myndighetene, slik at de negative helseeffektene er svært uvanlige, sjekk likevel data- bladet. En grei forholdsregel er: Lukter det ozon er konsentrasjonen for høy.
Administrativ norm for ozon i arbeidsmiljøet er 0,2 mg/m3 luft.

Pulsbreddemodulering (PBM) er en metode for å generere et analogt signal vha en digital krets. PBM betår av to hovedkomponenter som definerer signalet, dutycycle og frekvens. Dutycycle angir den tid signalet er i høy tilstand som en prosentdel av den tid det tar å fullføre en periode. Frekvensen bestemmer periodetiden. HDC-AC-Hybrid teknologi opererer med 200Hz grunnfrekvens, altså periodetid 1/200s. Ved å styre 

primærsiden på transformatoren vha firkantpulstog (PBM) kan utgangspulsen på sekumdærsiden reguleres svært nøyaktig.