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In Arbeitsbereichen, in denen empfindliche elektronische Geräte oder Messinstrumente genutzt werden, können durch ESD hohe Spannungen erzeugt werden, die elektronische Bauteile und Geräte beschädigen oder gar zerstören. Auch die unkontrollierte Entzündung von brennbarem Gas kann die Folge einer elektrostatischen Entladung sein. Mit geeigneten ESD-Schutzmaßnahmen können Maschinen und Bauteile geschützt werden beziehungsweise geschützte ESD-Bereiche eingerichtet werden.
Was ist ESD und wie entsteht es?
ESD, als Abkürzung für das englische „Electro Static Discharge“ (dt. elektrostatische Entladung), bezeichnet den abrupten Ladungsaustausch zwischen zwei Objekten mit unterschiedlichen Spannungspotenzialen. Das Phänomen wird auch als transiente Überspannung bezeichnet und kann von Funkenflug oder Lichteffekten begleitet sein.
Elektrostatische Entladungen entstehen immer dann, wenn zwei Materialien durch einen Kontakt (zum Beispiel durch Reiben) aufgeladen werden und anschließend voneinander getrennt werden. Das kann besonders in explosionsgefährdeten Bereichen (sogenannten ATEX-Zonen) der Fall sein. Durch die Reibung der unterschiedlichen Materialien entsteht ein Ungleichgewicht der elektrischen Ladung – die Materialien verfügen jeweils über ein unterschiedliches Ladungspotential. Nähern sich diese Materialien, kann es zu einem plötzlichen Ladungsausgleich über einen Elektronenfluss kommen: die elektrostatische Entladung (ESD).
Zur Entladung kann es jedoch auch kommen, wenn ein elektrostatisch aufgeladenes Objekt auf ein ungeladenes Objekt trifft. Ausschlaggebend ist hier nur das unterschiedliche Ladungspotential. Zusätzlich kann ESD auch über die Luft erfolgen, sodass für eine elektrostatische Entladung nicht immer ein direkter Kontakt zwischen zwei Objekten nötig ist.
Bei niedriger Luftfeuchtigkeit ist die Luft weniger leitfähig, wodurch sich Ladungen schlechter abbauen und höhere Spannungen entstehen können.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen den Unterschied. Bitte beachten Sie jedoch: Die angegebenen Spannungswerte sind Richtwerte und können je nach Umgebung, Material und Bewegung variieren:
| Ladungsquelle | Luftfeuchte bei 10 bis 20 % | Luftfeuchte bei 65 bis 90 % |
|---|---|---|
| Reibung auf dem Arbeitstisch | 6000 Volt | 100 Volt |
| Gehen auf Kunststoffboden | 12.000 Volt | 250 Volt |
| Plastiktüte vom Arbeitstisch angehoben | 20.000 Volt | 1200 Volt |
| Gehen auf (synthetischem) Teppichboden | 35.000 Volt | 1500 Volt |
| Arbeitsstuhl mit Schaumstoffsitzkissen | 18.000 Volt | 1500 Volt |
Wann ist ESD-Schutz notwendig?
Der größte Verursacher von ESD ist der Mensch. Dieser spürt elektrostatische Entladungen jedoch erst ab einer Spannung von 3500 Volt. In Arbeitsumgebungen mit elektronischen Geräten, in den elektrostatisch-empfindliche Komponenten verbaut sind, kann jedoch schon eine geringe Spannung von 100 Volt zu weitreichenden Funktionsbeeinträchtigungen oder Totalausfall führen, der ganze Systeme oder Anlagen betreffen kann.
Aber auch in explosionsgefährdeten Bereichen, sogenannten EX- oder ATEX-Zonen, kann ESD gefährlich werden: In diesen Bereichen kann eine potenziell explosive Atmosphäre durch ein Gemisch aus Stäuben, Dämpfen und Gas-Luft-Gemischen entstehen. Tritt durch ESD hier ein Funkenflug auf, kann es zu einer Explosion kommen. Umso wichtiger ist es, in solchen Arbeitsbereichen entsprechende ESD-Schutzmaßnahmen zu treffen.
Welche ESD-Schutzmaßnahmen gibt es und wie funktionieren sie?
Elektrostatische Entladungen können im Betrieb in unterschiedlichen Bereichen auftreten. Zum Schutz von empfindlichen Bauteilen lassen sich entsprechende ESD-Schutzzonen (englisch: EPA, für „Electrostatic Protected Area“ steht) bzw. ESD-Bereiche einrichten. Diese können für einzelne Arbeitsplätze, abgegrenzte Flächen oder ganze Räume und Gebäude auf Basis von drei Grundprinzipien installiert werden:
- Erdung: Durch Erdung werden elektrostatische Aufladungen kontrolliert abgeleitet, bevor sie kritische Spannungsniveaus erreichen können. Das kann beispielsweise durch ESD-gerechte Fußböden mit Erdungsleitungen über Kupferbänder sowie Arm- und Fußbänder erreicht werden.
- Abschirmung: Empfindliche Komponenten werden vor externen Feldern oder Entladungen geschützt, zum Beispiel durch spezielle Verpackungen, Gehäuse oder Materialien, die elektrische Ladungen nicht durchlassen. So wird verhindert, dass eine elektrostatische Entladung direkt auf das Bauteil trifft.
- Neutralisierung: Mit Ionisierungsgeräten kann die Ladung der Raumluft und von Oberflächen neutralisiert und damit die Grundlage für elektrostatische Entladungen vermieden werden.
Die Schutzmaßnahmen bzw. der Maßnahmenkatalog in ESD-Bereichen umfassen dazu mehrere Komponenten:
| Komponente | Erläuterung | Maßnahmen |
|---|---|---|
| Arbeitsbekleidung | ESD-gerechte Arbeitsbekleidung sorgt für eine gezielte Ladungsableitung und verhindert eine elektrostatische Aufladung. | · Kittel, Jacken und Hosen mit eingewebten, leitfähigen Fasern verwenden · ESD-Sicherheitsschuhe mit durchleitender Sohle tragen · ESD-gerechte Schutzhandschuhe verwenden · Handgelenks- oder Armerdungsbänder tragen |
| Arbeitstische und -oberflächen | Leitfähige Arbeitstische und -oberflächen leiten Ladung weiter und verhindern so eine elektrostatische Aufladung. | · Verwendung von ESD-gerechten Arbeitstischen, Werkbänken, Regalen und Ablageflächen |
| Bodenbelag | In ESD-Schutzzonen müssen Bodenbeläge eine ausreichende Leitfähigkeit mit einem Ableitwiderstand von ca. 1 MΩ mitbringen. | · Fußbodenbeläge mit eingearbeiteten Kupferbändern verlegen (Rollenware, ESD-Bodenmatten oder mit ESD-Beschichtungen) |
| Luftfeuchtigkeit | Elektrostatische Entladungen können durch eine Luftfeuchtigkeit von unter 30 % verstärkt werden. | · Luftfeuchtigkeit dauerhaft auf mindestens 45 % erhöhen |
| Transportwagen | ESD-Transportgeräte sorgen dafür, dass durch ihre elektrisch leitfähige Konstruktion sowie den Ladeflächen aus ableitfähigen Dekorspanplatten und der ESD-Pulverbeschichtung empfindliche Waren vor Überspannungsschäden geschützt werden. | · Räder und Rollen für Transportgeräte mit TPE-ESD Bereifung (thermoplastisches Elastomer) ausstatten · Naben mit Präzisions-Rillenkugellager nutzen |
| Verhaltensregeln | ESD-Schutzzonen dürfen nur von geschultem Personal ESD-Schutzzonen dürfen nur von geschultem Personal betreten werden. Elektrostatisch empfindliche Geräte oder Bauteile dürfen zusätzlich nur von ausgebildetem und entsprechend autorisiertem Personal bedient oder berührt werden. | · Mitarbeiterschulungen vermitteln das nötige Fachwissen zu ESD · Zugangsbeschränkungen stellen sicher, dass nur geschulte Mitarbeiter die EPA betreten. |
| Verpackung | Für die sichere Verpackung und den Versand von elektrostatisch empfindlichen Bauteilen ist Verpackungsmaterial nach DIN EN 61340-5-3 und ANSI/ESD S541-2018 zu verwenden. | · elektrostatische Verpackungen sollten je nach Anwendungsbereich entweder Conductive (=C, dt. leitfähig), Dissipative (=D, dt. ableitend) oder Shielding (=S, dt. abschirmend) sein · zusätzlich stehen Verpackungslösungen mit antistatischen Zusätzen zur Verfügung |
| Werkzeuge | Im Umgang mit elektrostatisch gefährdeten Teilen und Geräten sollte Werkzeug zum Einsatz kommen, das weitgehend leitfähig ist. | · Verwendung von speziellen ESD-Schraubendrehern, ESD-Zangen oder ESD-Seitenschneidern |
Zusätzlich sollten in ESD-Schutzzonen nach Möglichkeit keine Isolatoren wie Klebebänder, Objekte aus Styropor oder Kunststofffolien genutzt werden, da sich auf diesen die elektrostatische Ladung besonders lange ablagern kann. Ionisierungsgeräte können in EPAs unvermeidliche elektrostatische Aufladungen neutralisieren.
Auch zur Reinigung von EPAs sollten ausschließlich Reinigungssubstanzen und Putzutensilien zum Einsatz kommen, die weder die elektrische Leitfähigkeit der Arbeitsoberflächen in ESD-Schutzzonen beeinträchtigen noch anderweitig zu elektrostatischer Aufladung beitragen.
Normen und Prüfverfahren für ESD-Bereiche
Um in EPAs verlässlich den Schutz vor elektrostatischen Entladungen zu gewährleisten, müssen alle hier installierten Arbeitsmittel, Materialien und Einrichtungsgegenstände entsprechend der geltenden Normen eingerichtet und von autorisiertem Fachpersonal geprüft und freigegeben werden:
- DIN EN 61340-5-1/IEC 61340-5-1: Elektrostatik Teil 5-1: Schutz von elektronischen Bauelementen gegen elektrostatische Phänomene – Allgemeine Anforderungen
- DIN EN 61340-5-2/IEC 61340-5-2: Elektrostatik Teil 5-2: Schutz von elektronischen Bauelementen gegen elektrostatische Phänomene – Benutzerhandbuch
- DIN EN 61340-4-1/IEC 61340-4-1: Elektrostatik 4-1: Standardprüfverfahren für spezielle Anwendungen – Elektrischer Widerstand von Bodenbelägen und verlegten Fußböden
- ANSI/ESD S20.20-2014: Entwicklung eines elektrostatischen Entladung-Steuerprogramms zum Schutz elektrischer und elektronischer Teile, Bauelemente und Geräte
- ANSI/ESD S541-2018: Verpackungsmaterialien für ESD-empfindliche Bauteile
Kontrolluntersuchungen in regelmäßigen Abständen stellen zudem sicher, dass der ESD-Schutz unvermindert besteht.
FAQ zum ESD-Schutz
In Arbeitsbereichen, in denen empfindliche elektronische Geräte oder Messinstrumente genutzt werden, können durch ESD hohe Spannungen erzeugt werden, die elektronische Bauteile und Geräte beschädigen oder gar zerstören. Auch die unkontrollierte Entzündung von brennbarem Gas kann die Folge einer elektrostatischen Entladung sein. Mit geeigneten ESD-Schutzmaßnahmen können Maschinen und Bauteile geschützt werden beziehungsweise geschützte ESD-Bereiche eingerichtet werden.
Als antistatisch werden Materialien, Fasern oder Oberflächen bezeichnet, die sich durch Bewegung oder Reibung nicht oder nur sehr gering elektrisch aufladen. Ziel ist es, die Entstehung elektrostatischer Ladungen zu verhindern, bevor sie überhaupt auftreten.
Typische antistatische Arbeitsmittel sind z. B. Arbeitsschutzkleidung, Verpackungen oder Werkzeuge, die mit speziellen Materialzusätzen oder Oberflächenbehandlungen ausgestattet sind. Diese verhindern, dass sich beim Umgang mit empfindlichen elektronischen Bauteilen gefährliche Spannungen aufbauen.
· Leitfähige Materialien oder Gegenstände haben einen sehr niedrigen elektrischen Widerstand. Deshalb können sie geerdet werden oder als Erdungspunkt für andere Medien genutzt werden, z. B. ESD-Böden oder Erdungspunkte.
· Ableitfähige Materialien haben einen höheren elektrischen Widerstand. Dennoch besteht auch hier noch nicht die Gefahr einer elektrischen Aufladung. Wichtig: Sie müssen mit einem Erdungspunkt verbunden sein, sonst können sie sich ebenfalls aufladen.
· Isolierende Materialien sind weder leit- noch ableitfähig. Diese Stoffe können außerdem nicht geerdet werden und neigen dazu, sich elektrostatisch stark aufzuladen z.B. Styropor, viele Kunststoffe, Papier.
Bitte beachten Sie: Die hier erwähnten Vorschriften sind nur eine Auswahl der wichtigsten gesetzlichen Vorgaben. Detaillierte Informationen lesen Sie dazu in den aufgeführten und ggf. weiteren Vorschriftensammlungen und Gesetzestexten nach. Bei der konkreten Umsetzung im Betrieb können und sollten im Zweifel außerdem Sachverständige hinzugezogen werden.
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