Décharge électrostatique F. Rachidi École Polytechnique Fédérale de Lausanne Groupe Compatibilité Électromagnétique
[email protected] http://emcwww.epfl.ch
1
Contenu Génération
des charges statiques Décharge électrostatique Modèle du corps humain Forme d’onde typique Classification des matériaux Protection et conception d’équipement
Référence: Henry W. Ott, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, Chapter 12, Wiley Interscience, 1988. 2
Décharge électrostatique
Origine des charges électrostatiques
L'électricité statique est produite par le contact et ensuite la séparation des matériaux. Les matériaux peuvent être des solides, des liquides ou des gaz. Quand deux isolants sont en contact, certaines charges (des électrons) sont transférées d'un matériau à l'autre. La charge n‘étant pas très mobile dans un isolant, lorsque l’on sépare les deux matériaux, cette charge peut ne pas retourner au matériau initial. Si les deux matériaux étaient à l'origine neutres, ils seront chargés, l’un positivement et l'autre négativement. Cette méthode de produire de l'électricité statique est désignée sous le nom de l'effet triboélectrique. Certains matériaux absorbent aisément des électrons tandis que d'autres tendent à les céder facilement. 3
Electrisation par frottement (tribo-électricité)
4
Echelle tribo-électrique Un classement des corps tribo-électriques peut être fait en fonction du signe des charges qu’ils acquièrent. Suivant ce classement, chaque corps acquiert une charge positive par friction contre tout autre corps classé après lui. + bakélite silicone verre plexiglas nylon sel laine peau de chat soie cellulose
coton ambre polyurétane polystyrène polyvinyle téflon caoutchouc naturel soufre polyéthylène polychlorure de vinyle
5
Echelle tribo-électrique
Le degré de séparation dans l’échelle triboélectrique n'indique pas nécessairement la quantité de charge créée par cet effet. La quantité de charge dépend non seulement de la séparation des matériaux dans l’échelle mais également de la propreté et l’état de la surface, pression du contact, temps de frottement, superficie en contact, etc.
6
Génération des charges statiques
La relation entre la charge, la tension et la capacité est donnée par V =Q/C
Dès que les deux matériaux sont séparés, le déséquilibre de la charge Q demeure fixe. Par conséquent, le produit VC est une constante. Lorsque les matériaux sont proches l’un de l’autre, la capacité est grande; par conséquent la tension est basse. Lorsque les matériaux se séparent, la capacité diminue et la tension augmente. Par exemple, pour une capacité de 75 pF et une charge de 3 mC, la tension atteindra 10’000 V. 7
Génération des charges statiques • Cet effet se produit également quand un isolant est séparé d'un conducteur, mais il ne se produira pas entre deux conducteurs. Dans ce dernier cas, dès que la séparation commence, la charge revient au matériau initial à cause de la grande mobilité de la charge dans un conducteur. • Le tableau suivant montre les niveaux des tensions électrostatiques typiques qui peuvent être produites dans diverses conditions.
8
Tensions dues aux charges électrostatiques
Source de génération de charges Tension électrostatique ______________________________________________________ humidité relative 10 à 20% 65 à 90% ______________________________________________________ Marche sur un tapis Marche sur un sol vinyl
35 kV 12 kV
1.5 kV 250 V
9
Distribution de la charge
L'électricité statique est un phénomène de surface. La charge existe uniquement sur la surface du matériau et non pas à l'intérieur. La charge sur un isolant demeure dans le secteur dans lequel il est produit, et il n'est pas réparti sur la surface entière. À la différence d'un isolant, un conducteur chargé perdra sa charge dès qu’il est mis à la terre.
10
Mécanisme de la décharge électrostatique
(1) (2)
(3)
La décharge électrostatique est normalement un processus en trois étapes : Une charge est produite sur un isolant. Cette charge est transférée à un conducteur par le contact ou par induction. Le conducteur chargé s’approche d'un objet métallique, souvent mis à la terre, et une décharge se produit. Par exemple, quand vous marchez sur un tapis, les semelles de vos chaussures (isolants) deviennent chargées pendant qu'elles entrent en contact et se séparent du plancher. Cette charge est transférée à votre corps (un conducteur). Si vous touchez alors un objet métallique, mis à la terre ou pas, une décharge se produit. Quand une décharge se produit à un objet flottant (par exemple une poignée de porte), le courant de décharge traverse la capacité entre l'objet et la terre.
11
Mécanisme de la décharge électrostatique
Un isolant chargé n'est pas un problème en soi. Puisque la charge n'est pas libre pour se déplacer, elle ne peut pas produire une décharge statique. Le danger d'un isolant vient de son potentiel pour induire des charges sur un conducteur. Les effets néfastes des décharges statiques sont produits par des conducteurs. Les plus importants de ces derniers sont les métaux, le carbone, et les personnes (la conductivité de leur peau moite).
12
Charge par induction •
Un objet électriquement chargé (isolant ou conducteur) est entouré par un champ électrostatique. Si un tel objet chargé est amené à proximité d'un conducteur neutre, le champ électrostatique fera séparer les charges en équilibre dans le conducteur neutre.
Objet chargé
Conducteur neutre + + ++ 13
Charge par induction •
• •
Si on établit une connexion temporaire à la terre (par exemple, si l'objet est momentanément touché par une personne ou un objet mis à la terre), la charge du corps neutre loin de l'objet chargé se déchargera, comme illustré dans la figure ci-dessous. Ceci laisse le conducteur chargé, sans que celui-ci soit en contact d’un corps chargé. La mise à la terre nécessaire pour produire la charge induite peut avoir une impédance considérable (de l’ordre du mégohm ou plus). Objet chargé
Conducteur neutre
+ + +
Objet chargé
Conducteur neutre
+ + + +
+
I
(a)
(b)
14
L’accumulation de la charge
La capacité entre deux sphères concentriques est donnée par
C=
4πε (1 / r1) − (1 / r2 )
où r1 et r2 sont les rayons des deux sphères (r2>r1), et ε est la constante diélectrique du milieu entre les deux sphères. Si l’on tend le rayon externe vers l’infini, on obtient
C = 111r
pF
où r est le rayon (m) de la sphère.
Cette équation représente la capacité d'un corps isolé dans l'espace et peut être employée pour estimer la valeur minimale de la capacité propre de beaucoup d'objets. 15
L’accumulation de la charge •
•
Par exemple, une personne a une ‘superficie’ équivalente à celle d’une sphère de 1 m de diamètre. L’équation précédente donne alors une valeur d’environ 50 pF pour la capacité du corps humain. La terre a une capacité propre d’environ 700 μF, et un objet ayant les dimensions d’un caillou a une capacité de l’ordre de 1 pF. A part la capacité propre d’un objet, d’autres capacités existent également en raison de la proximité de l’objet en question à d’autres objets environnants.
16
Modèle du corps humain •
•
•
Les personnes sont une source principale de décharge électrostatique. Un objet chargé transfère aisément sa charge à la couche conductrice de la peau d'une personne. En plus des 50 pF de la capacité propre, une contribution majeure à la capacité du corps humain vient de celle entre les semelles des pieds et la terre, qui est de l’ordre de 100 pF. Une capacité additionnelle de 50 à 100 pF peut exister en raison de la proximité de la personne à quelques objets environnants, tels que des murs. 17
Décharge électrostatique La décharge électrostatique apparaît lorsque le champ électrique maximum dû à la charge accumulée sur un corps isolant dépasse la valeur du champ disruptif dans le milieu considéré. Champ disruptif dans l’air dans des conditions normales (20o , 11 g/m3 d’humidité, …..) : Ed = 3 MV/m
18
Décharge électrostatique
Voici un modèle simple décrivant la décharge électrostatique d'un corps humain. La charge est stockée dans la capacité du corps. La décharge se produit à travers une résistance, qui représente la résistance du corps. L'inductance, bien que souvent négligé, joue un rôle important et détermine le temps de montée du courant de la décharge.
V
La résistance du corps peut varier de 500 à 10' 000 Ω. Si la décharge se produit du bout d’un doigt, la résistance sera environ 10 kΩ, si elle se produit de la paume de la main, elle vaut environ 1 kΩ; si la décharge se produit à travers un objet en métal (par exemple une clef) tenu dans la main, la résistance sera approximativement 500 Ω. Si la décharge se produit d'un grand objet métallique, tel qu'une chaise ou un caddie, la résistance peut être aussi petite que 50 Ω.
19
Décharge électrostatique
Le circuit équivalent de la décharge électrostatique du corps humain peut être utilisé pour des essais en laboratoire
Le temps de montée et l’énergie de la décharge sont les paramètres importants qui déterminent la sévérité de la décharge. Les valeurs typiques de l’énergie sont de 5 to à quelques dizaines de millijoules.
Vb
Cb 50 à 250 pF Rb 500 Ω à 10 kΩ Vb 0 à 20 kV
20
Forme d’onde typique du courant de la décharge
La figure ci-dessous montre un courant typique d’une décharge électrostatique produite par un corps humain représenté par une capacité de 150 pF, une résistance de 500 Ω et chargé à 20 kV. L’amplitude du courant est de 40 A, son temps de montée de 1 ns et sa durée est 100 ns.
Le temps de montée est déterminé par l'inductance en série. Minimiser cette inductance est l'un des soucis primaires dans la conception des appareils de test de décharge électrostatique. Sa valeur devrait être maintenue inférieure à 0.1 mH. Les valeurs de la capacité et de la résistance spécifiées par la normes internationales (IEC) sont de 150 pF et 150 Ω, respectivement.
1 ns
100 ns
21
Tension de la décharge
Une décharge d'une tension inférieure à 3500 V ne sera pas sentie par la personne impliquée. Puisque beaucoup de dispositifs électroniques sont sensibles aux perturbations engendrées par des décharges de quelques centaine de volts seulement, des dommages sur des composants peuvent apparaître sans qu’on ait senti la décharge. D’autre part, les décharges ayant des tensions supérieures à 25 kV sont douloureuses à la personne impliquée.
22
Décharge électrostatique •
•
•
La charge accumulée sur un objet quitte habituellement l'objet par deux mécanismes, courant de fuite (leakage) ou décharge (arcing). Il est préférable de décharger un objet par courant de fuite. La charge peut également quitter l’objet à travers l’air, dû à l'humidité. La charge sur un objet peut également être neutralisée en employant un ionisateur qui produit des charges opposées dans l’air. Les ions ainsi produits seront attirés par l'objet et neutraliseront sa charge. La décharge d’un conducteur chargé peut se produire par une mise à la terre intentionnelle. Cette terre peut être « une terre dure » (impédance proche de zéro) ou « une terre molle » (une grande impédance, typiquement un mégohm, qui limitera l'écoulement du courant). 23
Décharge électrostatique •
•
Puisque le corps humain est conducteur, la mise à la terre avec un bracelet électrostatique, par exemple, éliminera la charge. Cependant, la mise à la terre d’une personne n'évacuera pas la charge statique de son habillement (non-conducteur), ou un objet en plastique tenu dans sa main. Pour évacuer la charge de ces objets, on peut appliquer une ionisation ou augmenter l’humidité. En mettant à la terre une personne, une terre « dure » (basse impédance) devrait être évitée en raison du risque en matière de sécurité qui existerait si la personne contactait un conducteur sous tension. L'impédance minimum utilisée pour la mise à la terre d’une personne devrait être 250 kΩ (les bracelets électrostatiques ont habituellement 1 MΩ de résistance à la terre).
24
Décharge électrostatique
Puisque l’évacuation de la charge se fait sur une certaine durée, un paramètre important est la constante de temps - le temps pour que la charge soit réduite à un pourcentage donné de sa valeur initiale. Cette constante de temps (parfois appelé le temps de relaxation) est égal à τ=
ε = ερ σ
où ε est la constante diélectrique du matériau, σ est sa conductivité et ρ sa résistivité. On peut voir que le temps de relaxation peut être employé comme une méthode indirecte de mesure de la résistivité d'un matériau. Puisque l'électricité statique est un phénomène de surface, des matériaux peuvent être classifiés selon leur résistivité surfacique. 25
Classification des matériaux
En fonction de leur résistivité surfacique, les matériaux peuvent être classifiés dans quatre catégories suivantes Materiau
Résistivité surfacique (Ω)
Conducteur
0 to 105
Dissipatif
105 to 109
Antistatique
109 to 1012
Isolant
> 1012 26
Classification des matériaux •
•
•
•
Des matériaux avec des résistivités inférieures à 109 Ω peuvent être déchargés rapidement par une mise à la terre. Si une charge existe déjà sur un objet, elle devrait être déchargée lentement afin de limiter le courant et éviter des dégâts. Les matériaux conducteurs sont les plus rapides pour dissiper la charge. Si un dispositif chargé entre en contact avec un matériau conducteur mis à la terre, il sera rapidement déchargé avec un courant de grande amplitude, ce qui peut donner lieu à des perturbations et dégâts. Des matériaux dissipatifs et antistatiques sont préférés aux matériaux conducteurs parce que la dissipation de charge se produit à un taux plus lent. Ces matériaux dissipatifs et antistatiques mis à la terre peuvent être employés pour empêcher la génération des charges statiques et pour décharger les objets chargés. Les isolants ne permettent pas d’évacuer les charges et ne devraient pas être utilisés dans un environnement sensible aux décharges électrostatiques. 27
Protection contre la décharge électrostatique L’énergie d’une décharge électrostatique peut se coupler avec un circuit électronique par -
conduction directe couplage inductif couplage capacitif couplage par rayonnement
Un circuit ou un système peut être protégé contre une décharge électrostatique par différents moyens - éliminer les charges statiques à la source (introduction d’additifs antistatiques, choix judicieux des matériaux, etc.) - isoler le circuit pour éviter la décharge - fournir un chemin alternatif pour le courant de décharge - blinder le circuit contre le champ électromagnétique rayonné par la décharge
28
Protection contre la décharge électrostatique
Enceintes blindées
Enceinte métallique
- Pour être efficace contre les décharges électrostatiques, l’enceinte doit être électriquement continue. - Dans le cas contraire, une partie du courant peut pénétrer à l’intérieur de l’enceinte (voir Fig. ci-contre)
Courant de décharge
29
Protection contre la décharge électrostatique
Enceinte blindée enfermant complètement le circuit
- Lors d’une décharge, le potentiel de l’enceinte peut atteindre plusieurs kV, dû à l’inductance de la mise à la terre. - Le circuit se trouvant à l’intérieur va également monter en potentiel ⇒ pas de différence de potentiel avec l’enceinte.
30
Protection contre la décharge électrostatique
Enceinte blindée enfermant un circuit ayant une connexion externe à la terre
Le potentiel de l’enceinte augmente, mais celui du circuit reste proche de la terre. Différence de potentiel significative entre le circuit et l’enceinte
arc secondaire
La décharge secondaire produit un courant encore plus important que celui de la décharge primaire (absence de la résistance du corps)
On peut empêcher l’arc secondaire de se produire en éloignant suffisamment le circuit des parties métalliques ou en le connectant à l’enceinte.
31
Protection contre la décharge électrostatique
Connexion du circuit à l’enceinte Si le circuit est connecté à l’enceinte, la connexion doit se faire en un seul point pour éviter que le courant de décharge traverse le circuit.
Connexion à point unique
Dans ce cas, le circuit monte en potentiel avec l’enceinte et il n’y pas de différence de potentiel entre les deux. Par contre, le potentiel de l’enceinte est transféré comme une tension parasite en mode commun aux extrémités des câbles d’interface.
32
Protection contre la décharge électrostatique
Protection contre la tension parasite en mode commun Utilisation de câble blindé: prolongement de l’enceinte
Utilisation d’un choke en mode commun: - dû au temps de montée rapide du courant, les capacités parasites du choke doivent être minimisées.
choke
Connexion unique
33
Protection contre la décharge électrostatique Câble d’entrée
Câble d’entrée
Circuit imprimé
Circuit imprimé
Courant de décharge
En cas de connexion du circuit à l’enceinte en un point unique, ce point doit être le plus près possible du point d’entrée du câble.
34
Protection contre la décharge électrostatique Câble d’entrée
Câble d’entrée
Circuit imprimé
Courant de décharge
Circuit imprimé
Courant de décharge
Une capacité ‘bypass’ de l’ordre de 500 pF, ou une diode Zener peuvent ête utilisées pour shunter le courant de décharge vers la terre. 35
