Jste zde

Ionizéry = odstraňovače statického náboje

Antonín Vojáček, 19. Duben 2010 - 22:10

Každý elektrotechnik a hlavně elektronik asi ví, jak zničující mohou být pro elektronické systémy účinky statické elektřiny, které mohou při nevhodné manipulaci elektronické součástky i desky snadno zničit. Proto je vhodné výrobní linky a montážní či servisní místa citlivých elektronických komponent vybavit tzv. ionizéry.

Se statickou elektřinou a s jejími účinky se setkal asi každý. Každý již alespoň párkrát dostal ránu od výboje, který přeskočil z vašeho statickou elektřinou nabitého těla po dotyku s uzemněným předmětem, vstávání vlasů při česání nebo sundávání svetru přes hlavu, či „praskání“ výbojů pokud se například přikrýváte fleecovou dekou apod. Příčiny vzniku elektrostatického náboje však mohou být různé. Vedle asi neznámějšího vzájemného tření dvou či více různých izolačních materiálů, může elektrostatický náboj vzniknout také tlakem nebo dělením dvou materiálů.

Jasně dostat ránu je sice nepříjemné, ale obvykle neškodné. To však neplatí v případě, že pracujete s elektronickými součástkami osazenými elektronickými deskami či kompaktními či DVD disky. Jak elektronici jistě ví, zde může statická elektřina napáchat velmi nákladné škody, například v podobě zničeného procesoru. Tam, kde se s takovými výrobky pracuje neustále se pak vyplatí investovat do technologií, které statickou elektřinu eliminují. Nejlépe v celém daném potřebném prostoru a bez omezování manipulace se zařízeními a pohybu obsluhy. K tomuto účelu slouží zařízení zvané odstraňovače statického náboje, jinak také ionizéry. Jejich podstata spočívá v generování proudu vzduchu s kladně a záporně nabitými částicemi (ionty). Nasměrujeme-li tento proud takto ionizovaného vzduchu na elektrostaticky nabitý povrch konkrétního výrobního dílu, přítomné elektrické náboje na povrchu se neutralizují.

Takovéto ionizéry vzduchu obvykle fungují jako „krabičky“, které ionizují do nich přivedený tlakový vzduch. V zásadě existují dva možné principy, jak to dělají. Využívají jednu z následujících metod:

DC metoda– ionizace vzduchu stejnosměrným elektrickým polem – vytváří oddělené proudy jen kladných či záporných iontů
AC metoda – ionizace vzduchu střídavým elektrickým polem – střídavě produkuje kladné a záporné ionty

Ionizace vzduchu pomocí DC metody

Ionizace vzduchu pomocí AC metody

Rozdíl ve výše uvedených dvou metodách je dost podstatný. Zatímco u DC metody se vytváří korónový výboj pomocí minimálně dvou hrotů, kde jeden je stále polarizován kladně a druhý záporně a vytvářejí tedy kontinuální tok jen kladných či jen záporných iontů, které se až dále samovolně smíchají, u AC metody se střídavě jedním hrotem, který je buzen střídavým napěťovým signálem, generují kladné a záporné ionty. Rychlost střídání „vln“ kladných a záporných iontů korónového výboje je dán frekvencí budícího AC signálu.

Podle toho se tak skupina střídavých AC ionizérů dále dělí na:

AC metoda nízkofrekvenční – hodnoty v řádu Hz
AC metoda vysokofrekvenční – hodnoty v řádu kHz

V tomto směru je nejvýhodnější vysokofrekvenční řešení. To totiž v praxi efektivněji odstraňuje náboj z plochy, protože vytváří stabilní ionizované prostředí s vysokou koncentrací iontů. To znamená také stabilní a malou hodnotu tzv. iontové nevyváženosti (ion bias), což je hodnota udávající o kolik je v ionizovaném vzduchu více jednoho typů iontů proti druhému (tedy například o kolik je ve vzduchu více kladných iontů proti záporným). U tohoto parametru se ještě zastavme. Špatně zvolený typ ionizátoru vzduchu s vysokou hodnotou iontovou nevyváženosti a malou frekvencí totiž paradoxně může zničit elektronickou součástku tím, že ji nejdříve rychle přepolarizuje ze kladného elektrického náboje generující napětí +20 V na záporný náboj, například na hodnotu -10 V, pokud bude „ion bias“ větší než +/- 30 V. Zatímco u malé budící ionizační frekvence mohou vznikat ve vzduchu „ostrůvky“ jen kladných nebo jen záporných iontů, což například při ozařování elektronické desky může chvilkově způsobovat nabití některých částí kladně a některých záporně, i když v globálu je náboj nulový, v případě vysoké frekvence, například 68 kHz, se již „vlny“ generovaných kladných a záporných iontů tak rychle střídají, že ve větší vzdálenosti již vytváří takřka homogenní směs vzduchu s kladnými a zápornými ionty.

Zatímco vysokofrekvenční AC metoda generuje prakticky homogenní ionizovaný vzduch (vlevo), u nízkofrekvenční AC metody mohou vznikat shluky jen kladných nebo záporných iontů.

Dále je dobré zde zmínit další zajímavé parametry, se kterými u ionizérů setkáte. Mimo již výše uvedeného parametru „iontová nevyváženost (ion bias)“, který říká, který typ iontů je více zastoupený a o kolik, je také důležitý ukazatel rychlosti pohlcování nežádoucího náboje na povrchu ofukovaných předmětů, tedy prakticky výkon ionizátoru. Jde o parametr „Čas odstranění náboje (Charge removal time)“, který říká, za jakou dobu by se nížilo elektrostatické napětí na povrchu objektu z hodnoty 1000 V na 100 V po vložení do proudu ionizovaného vzduchu.

Příklady použití ionizéru SUNX ER-V

Ionizéry SUNX

Jedním z výrobců kvalitních ionizérů je japonská společnost SUNX, která je již delší dobu pod křídly Panasonic, a ktera mimo jiné patří mezi kvalitní výrobce elektro-optických snímačů (např. optozávory SUNX jsou docela známé a kvalitní). Nabídka je docela obsáhlá a mimo ionizérů v ní najdete i snímač elektrostatického náboje.

Řada ER-V a ER-VW

Mezi nejnovější a nejúčinnější ionizéry v nabídce patří velmi kompaktní provedení jednobodové řady ER-V a dvoubodové řady ER-VW. Ty obě využívají vysokofrekvenční AC metodu ionizace vzduchu s iontovou nevyvážeností (ion bias) max. +/- 15 V, což je velmi dobrá hodnota. Ta navíc platí nezávisle na použitém tlaku vzduchu a nastavené „foukací vzdálenosti“. Parametr „Čas odstranění náboje (Charge removal time)“ je maximálně 1 sekunda, což umožňuje i při automatické výrobě zachovat rychlý výrobní cyklus. Tyto parametry platí i v případě malého proudění vzduchu jen 15 litrů za minutu.

Zajímavé jsou zde také docela malé celkové rozměry „krabiček“, které v případě typu ER-V je 27 x 109 x 28 mm a v případě řady ER-VW jsou 127 x 49 x 19 mm. Dvě trysky typu ER-VW je možné polohovat v rozpětí cca 190° a díky vstupu i výstupu pro vzduch lze v zájemně propojit až 5 jednotek. Mimo tedy přivedení stlačeného vzduchu pak stačí již jen připojit napájení 24 V DC. O připojeném napájení a generování iontů informují uživatele 2 indikační LED diody. O potřebě servisního zásahu na ionizéru pak informují další dvě LED označené jak „Check (potřeba kontroly)“ a „Error (chyba funkce)“. Hlavně jde o potřebu vyčištění nebo výměnu jehlových elektrod.

Ionizér SUNX ER-V s naznačenými rozměry a možností použití

Rozměry ionizéru ER-VW a možnosti jeho propojení

Indikační LED diody ionizéru ER-VW

Řada ER-TF pro velké plochy

Pokud potřebujete odstranit elektrostatický náboj z velkých objektů nebo chránit velkou oblast, je v nabídce velkoplošný typ ER-TF vhodný pro velké výrobní provozy. Ten již v sobě obsahuje vestavěný větrák a tedy nepotřebuje přívod stlačeného vzduchu jako typy ER-V a ER-VW a nasává okolní vzduch. Také je možné jej napájet rovnou síťovým napětím 230 V AC. Stejně jako ER-V však využívá vysokofrekvenční AC metodu generování iontů. Pro snadné tovární nasazení je uzpůsobena i snadná demontáž jehlových elektrod pro jejich snadné čisté nebo výměnu bez potřeby žádných speciálních nástrojů. Větrák má 4 přepínatelné rychlosti foukání a celá „foukací“ konstrukce je otáčivá pro možnost nasměrování proudu vzduchu. Řada ER-TF je nabízena ve 3 různých délkách „foukacích“ lišt 400 až 800 mm, přičemž všechny provedení mají stejný čas odstranění náboje 1 sekunda a velmi dobrou hodnotu iontové nevyváženosti jen max. +/- 10 V.

Snímač statického náboje / potenciálu EF-S1

Pomocí snímače EF-S1 je možné trvale v reálném čase měřit a monitorovat úroveň povrchové statické elektřiny i v případě sériové výroby a trvale běžící linky. Stále však platí, že měření je z fyzikálního principu složité v případě, že se v blízkosti vyskytují výkonná elektrická zařízení.

Snímač má dva přepínatelné měřící rozsahy +/- 1kV a +/- 2kV a nastavuje se u něj hranice a hystereze po jejímž překročení se aktivuje dvojitý spínaný NPN výstup. Oba výstupy mohou pracovat nezávisle nebo realizovat okénkový komparátor.Také je přítomný analogový výstup 1 – 5 V, kterým se může požadavek zpracování přenést na PLC nebo sloužit pro záznam statické elektřiny ve výrobě. Dále o funkci snímače informuje dvojdisplej, který zároveň zobrazuje nastavenou spínací hranici a aktuálně naměřenou hodnotu statické elektřiny ve voltech. Dále jsou integrovány pomocné monitorovací funkce, jako například průchod nulou nebo monitorování špiček.

Ovládací rozhraní senzoru statické elektřiny EF-S1

Možnosti reakce spínaných NPN výstupů OUT1 a OUT2 na nastavené spínací hranice (Threshold value)

Závěr

Pokud tedy profesně pracujete s elektronickými integrovanými součástkami či elektronickými deskami osazenými procesory, mohou ionizátory zajistit bezpečnější manipulaci a odstranit možnost jejich zničení. Ionizátory SUNX najdete v ČR v nabídce například pražské společnosti OEM-Automatic s.r.o. (www.oemautomatic.cz), která dodává množství již od 1 ks.

Autor: Antonín Vojáček