靜電放電中電極移動速度效應(yīng)對放電電流的影響性分析

貴州師范大學物理與電子科學學院　由小錦

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靜電放電中電極移動速度效應(yīng)對放電電流的影響性分析

貴州師范大學物理與電子科學學院由小錦

【摘要】在小間隙靜電放電中，電極移動速度影響放電參數(shù)，引起測量結(jié)果數(shù)離散性和低重復(fù)性。我們研究團隊研制的新型測試系統(tǒng)，可測量靜電放電各參數(shù)隨不同因素變化的影響。在以不同速度向靶移動放電時，放電電流峰值、電流的上升斜率以及波形都會產(chǎn)生明顯的差異。該因素和氣體壓強、溫度、濕度等多個因素同時作用，是導(dǎo)致國際電磁兼容標準迄今尚無非接觸靜電放電測試標準的主要原因。在實驗室條件下基于研發(fā)的新型ESD測試系統(tǒng)，改變電極向靶移動速度，觀察放電電流峰值的相應(yīng)變化。研究討論了實驗測試中,改變電極移動速度,獲得在一定不同帶電電壓下小間隙放電電流各參數(shù)的差異。對實驗測量結(jié)果初步進行了理論上的分析。

【關(guān)鍵詞】靜電放電；低重復(fù)性；電極移動速度；小間隙放電

0　引言

靜電放電在日常生活中對電子電器設(shè)備服務(wù)系統(tǒng)會產(chǎn)生一種嚴重的危害。在靜電放電發(fā)生時，放電間隙的擊穿呈現(xiàn)電阻的非線性導(dǎo)致了放電電流電流特性具有非線性[1]。電極向靶的移動速度是影響放電參數(shù)低重復(fù)性的重要因素之一[2,3]。這種低重復(fù)性間接制約非接觸靜電放電的標準的制定。全面對非接觸靜電放電受多因素影響關(guān)系進行研究，尚未見報道。我們團隊自主研發(fā)的新型ESD測試系統(tǒng)，綜合考慮不同環(huán)境因素的影響，逐一定量考察隊放電結(jié)果參數(shù)影響。

1　新型靜電放電測試系統(tǒng)原理

根據(jù)國際電工委員會標準IEC61000-4-2制造的靜電放電發(fā)生裝置(俗稱放電槍)，是放電過程的模擬裝置[4]。該新型靜電放電測試儀器采用將傳統(tǒng)的圓周運動轉(zhuǎn)變成直線運動的曲軸連桿機構(gòu)精巧設(shè)計，通過電機轉(zhuǎn)矩和速度調(diào)節(jié)器來控制電極運動速度和直線運動行程，保證了帶電體(放電槍)高速向靶運動，將電極加速度信號記錄下來，并通過數(shù)字示波器進行顯示。為了定量研究非接觸靜電放電中不同因素的影響，我們團隊研制出一種新型靜電放電測試系統(tǒng)[4]。如圖1所示，給出了該新型測的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　新型靜電放電測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

各部分的名稱如下：1-密閉箱體，2-曲軸連桿，3-放電靶，4-導(dǎo)軌支架，5-導(dǎo)軌，6-靜電放電發(fā)生器，7-電動機，8-攝像頭，9-溫度濕度顯示器，10-滾輪，11-負壓表，12-連接管，13-電機驅(qū)動調(diào)速器，14-控制器，15-無線路由器，16-靜電放電發(fā)生器固定底座，17-電機支架。考慮到放電參數(shù)在空氣中的低重復(fù)特性，我們通過電機驅(qū)動調(diào)速器和電路面板的控制實現(xiàn)對電極移動速度的改變，測量記錄了相應(yīng)的放電電流。

2　電極速度引起電流峰值的變化

在同樣的電壓值下，理論上靜電放電發(fā)生器的放電電流峰值應(yīng)該相等。電極移動速度不同的原因是步進電機的轉(zhuǎn)動頻率不同，所以實驗中放電電流峰值和波形也會有所不同，放電參數(shù)出現(xiàn)明顯的離散特性，由圖2可得電極速度高的放電電流明顯大。

圖2　電極速度與放電電流的關(guān)系圖

3　電極速度對ESD的影響分析

德國G Mierdel和R Seeliger在早年就進行過電暈實驗研究[5]。后期美國人Penny、Cooperman等人對電暈理論和應(yīng)用進行了深入研究[6,7]。在忽略濕度對放電過程的影響和帶電粒子的慣性力的前提下，用氣體學原理和電暈放電理論得電極移動速度和電場強度之間的關(guān)系如下[8]：

α與氣體壓強和間隙中的場強密切相關(guān)，也與電子運動的平均自由程λ成正比，即與氣體壓強密切相關(guān)[9]：

我們用以上公式驗證了該觀點。由公式(3)可得電極速度ν增大，則單位長度電離出的載流子數(shù)α增加。公式(4)描述的是表面過程的次級過程，可得載流子數(shù)α增大，電流峰值則增高。理想情況下，同一靜電放電發(fā)生器在相同放電電壓和固定間隙時應(yīng)具有相同的電流峰值，但實驗證明存在多種因素影響放電參數(shù)。由圖2可看出在不同帶電電壓下放電電流峰值也不同，則帶電電壓也是影響放電電流的一個重要因素。其中V為電極移動速度，q為金屬粒子電荷量，氣體動力黏度，E為電極間的場強，ds為帶電粒子的斯托克斯粒徑，α為單位長度電離出的載流子數(shù)，ve(t)為電子的漂移速度，A與B是分別與氣體性質(zhì)和電極材料有關(guān)的常數(shù)。

圖3　帶電電壓為2kV時的電流變化圖

圖4　帶電電壓為4kV時的電流變化圖

圖5　帶電電壓為6kV時的電流變化圖

比較圖3和圖4可以看出，帶電電壓增大時，電流峰值也隨之增大。當帶電電壓在6kV時，觀察圖5電極運動速度下的放電電流比4kV時電極速度下的電流峰值有所下降。則說明還有其它因素的影響，例如濕度，環(huán)境等。對于這些因素需要我們進一步探討研究。

4　結(jié)論

由實驗可知，在一定范圍內(nèi)放電電流峰值會隨電極速度增加。但從測試結(jié)果可知，隨著電壓繼續(xù)增大時，放電電流只是第1個峰值下降，而總的電流是增加的；第1個峰值是放電頭上電荷放電，如果移動速度慢，有部分電荷消散到周圍環(huán)境，則會導(dǎo)致放電電流峰值開始下降。

參考文獻

[1]阮方鳴,石丹,高攸綱,等.在小間隙放電中用Bernoulli定理分析電極移動效應(yīng)[J].電波科學學報,2009,25(3):551-555.

[2]D.Pommerenke.On Influence of Speed of Approach,Humidity and Arc Length on ESD Breakdown[C].The 3rd ESD Forum,Grainau,Germany,1993:103-111.

[3]S.Frei,M.Senghaas,R.Jobava,et al.The Influence of Speed of Approach and Humidity on the Intensity of ESD[C].Int.Zurich Symp.EMC,1999:105-110.

[4]阮方鳴,楊向東,李章倫,等.電極移動速度效應(yīng)檢測儀及其制作方法[P].中國專利:CN103091585A,2013-05-08 .

[5]Mierdel G,Seeliger R.The Physical Basis of Electrical Gas Purification[J].Trans.Faraday Soc,1936,32:1284-1289.

[6]G.W.Penny,G..T.Humert.Photoionization Measurement in Air,Oxygen,and Nitrogen[J].APPI.Phys,1970,41:572-577.

[7]Cooperman P.A Theory for Space-charge Limited Currents with Application[J].Trans.AIEE,1960,79(49):47-50.

[8]汪穎.噴射放電極靜電除塵器的收塵機理及研發(fā)[D].武漢:武漢科技大學,2009:21-29.

[9]阮方鳴,高攸綱,石丹,等.靜電放電參數(shù)對電極速度的相關(guān)性與機理分析[J].電波科學學報,2008,23(5):977-981.