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In Arbeitsbereichen, in denen empfindliche elektronische Geräte oder Messinstrumente genutzt werden, können durch ESD hohe Spannung 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. 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.
Die Spannungsniveaus, die sich hieraus ergeben, sind auch immer von der vorherrschenden Luftfeuchtigkeit abhängig und bei trockener Luft deutlich höher. Diese Beispiele veranschaulichen den Unterschied:
| 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 | 1.200 Volt |
| Gehen auf (synthetischem) Teppichboden | 35.000 Volt | 1.500 Volt |
| Arbeitsstuhl mit Schaumstoffsitzkissen | 18.000 Volt | 1.500 Volt |
Wann ist ESD-Schutz notwendig?
Der grösste Verursacher von ESD ist der Mensch. Dieser spürt elektrostatische Entladungen jedoch erst ab einer Spannung von 3.500 Volt. In Arbeitsumgebungen mit elektronischen Geräten, in denen elektrostatisch-sensitive Komponenten verbaut sind, kann jedoch schon eine geringe Spannung von 100 Volt zu weitreichenden Funktionsbeeinträchtigen 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 Luftgasen 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: Hierdurch werden elektrostatische Aufladungen von vornherein minimiert bzw. verhindert. Das kann beispielsweise durch ESD-gerechte Fussböden mit Erdungsleitungen über Kupferbänder sowie Arm- und Fussbänder erreicht werden.
- Abschirmung: Mit der Erhöhung des Durchgangswiderstands kann die Entladungsgeschwindigkeit verringert werden. Das kann beispielsweise durch das Tragen entsprechender Arbeitshandschuhe erreicht werden.
- 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 zu schützen | • Räder und Rollen für Transportgeräte mit TPE-ESD Bereifung (thermoplastisches Elastomer) elektrisch leitfähig ausstatten • Naben mit Präzisions-Rillenkugellager nutzen |
| Verhaltensregeln | 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. | • Schulungen vermitteln Mitarbeitenden das nötige Fachwissen zu ESD. • Zugangsbeschränkungen stellen sicher, dass nur geschulte Mitarbeitende 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 und 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 herabsetzen noch anderweitig zu elektrostatischer Aufladung beitragen.
Normen und Prüfverfahren für ESD-Arbeitsbereiche
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 abgenommen 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 zu ESD
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 Fasern oder Oberflächen bezeichnet, die sich nicht oder nur sehr gering elektrisch aufladen. Arbeitsmittel, die über einen hohen elektrischen Widerstand verfügen, werden deshalb im Rahmen von ESD-Schutzmassnahmen mit einer antistatischen Ausrüstung ausgestattet. Dadurch kann eine elektrische Aufladung und plötzliche Entladungen verhindert werden. Typisch für antistatische Arbeitsmittel ist Arbeitsschutzkleidung mit einer entsprechenden Beschichtung.
• Leitfähige Materialien oder Gegenstände haben einen sehr niedrigen elektrischen Widerstand. Deshalb können sie geerdet werden oder als Erdungspunkt für andere Medien genutzt werden.
• Ableitfähige Materialien haben einen höheren elektrischen Widerstand. Dennoch besteht auch hier noch nicht die Gefahr einer elektrischen Aufladung, sofern sie Erdungskontakt haben.
• Isolierende Materialien sind weder leit- noch ableitfähig. Diese Stoffe können ausserdem nicht geerdet werden.
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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