Συμβολή στη μελέτη γεννητριών ηλεκτροστατικής εκφόρτισης

Abstract

This thesis investigates technical challenges associated with immunity testing against electrostatic discharges, within the framework of the IEC 61000-4-2 Standard, with particular emphasis on the implications of its recent (2025) revision and the influence of the human operator. A central focus of the work is the analysis of the newly introduced requirement for monitoring the second portion of the discharge current waveform through the IP2 parameter, as defined in the third edition of the Standard. This change may render many existing generators non-compliant, leading to significant technical and economic implications for accredited laboratories. As a response, a practically feasible and technically substantiated solution is proposed, based on the use of clamp-on ferrites applied to the grounding cable, enabling the reshaping of the waveform without modifications to the internal structure of the electrostatic discharge generator. The thesis provides, for the first time, a comprehensive experimental assessment of the influence of the human operator on the discharge current waveform, analyzing deviations in critical parameters (such as IP2, I30, and I60) and spectral distortions that predominantly occur after the first peak. In parallel, it evaluates the ability to replicate this influence through clamp-on ferrites under various grounding cable arrangements. Variations in ferrite position and type are investigated, along with the robustness of the proposed methodology through a Monte Carlo sensitivity analysis. The next part of the thesis focuses on enhancing the reproducibility between automated and conventional electrostatic discharge testing setups, by evaluating the use of metallic robotic arms. The impact of grounding conditions, contact resistance, and ferrite placement on waveform characteristics is examined, aiming to emulate human presence and achieve measurement consistency. It is demonstrated that, with appropriate parameter tuning, the robotic setup can effectively replicate the operator’s influence. Moreover, the operator’s effect on indirect discharges to the horizontal and vertical coupling planes is studied under realistic test conditions, showing that it not only alters the current waveform but can also affect the immunity performance of the equipment under test. The partial mitigation of these effects is explored through technical countermeasures such as protective gloves and footwear. The overall contribution of the thesis lies in the development of a quantitatively substantiated and practically applicable framework for reliable and fully compliant automated electrostatic discharge immunity testing, aligned with the stringent requirements introduced in the third edition of the IEC 61000-4-2 Standard.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τεχνικές προκλήσεις, που σχετίζονται με τις δοκιμές ατρωσίας σε ηλεκτροστατικές εκφορτίσεις, στο πλαίσιο εφαρμογής του Προτύπου IEC 61000-4-2, με ιδιαίτερη έμφαση στις συνέπειες της πρόσφατης (2025) αναθεώρησής του και στην επίδραση του ανθρώπινου παράγοντα. Κεντρικό άξονα της εργασίας αποτελεί η διερεύνηση της νέας απαίτησης για έλεγχο του δεύτερου σκέλους της κυματομορφής εκφόρτισης μέσω της παραμέτρου IP2, όπως εισάγεται στην τρίτη έκδοση του Προτύπου. Η αλλαγή αυτή ενδέχεται να καταστήσει μη συμμορφούμενες πολλές υφιστάμενες γεννήτριες, δημιουργώντας τεχνικές και οικονομικές προκλήσεις για τα διαπιστευμένα εργαστήρια. Ως απάντηση, προτείνεται μια πρακτικά εφαρμόσιμη και τεκμηριωμένη λύση, βασισμένη στη χρήση φερριτών αρπάγης στο καλώδιο γείωσης, η οποία τροποποιεί το σχήμα της κυματομορφής χωρίς επεμβάσεις στον σχεδιασμό της γεννήτριας. Η διατριβή εισφέρει για πρώτη φορά εκτενή πειραματική αξιολόγηση της επίδρασης του ανθρώπινου χειριστή στην κυματομορφή ρεύματος, αναλύοντας τις αποκλίσεις σε κρίσιμες παραμέτρους (όπως τις παραμέτρους IP2, I30, I60) και τη φασματική αλλοίωση που προκαλείται κυρίως μετά την πρώτη αιχμή. Παράλληλα, αναλύεται η δυνατότητα προσομοίωσης της ανθρώπινης επίδρασης με χρήση φερριτών αρπάγης, υπό διάφορες διατάξεις καλωδίου γείωσης. Εξετάζονται παραλλαγές στη θέση και τον τύπο φερρίτη, καθώς και η ευστάθεια της προτεινόμενης μεθοδολογίας μέσω Monte Carlo ανάλυσης ευαισθησίας. Το επόμενο σκέλος της διατριβής εστιάζει στη βελτίωση της αναπαραγωγιμότητας μεταξύ αυτοματοποιημένων και τυπικών δοκιμών ηλεκτροστατικής εκφόρτισης, μέσω αξιολόγησης μεταλλικών ρομποτικών βραχιόνων. Αναλύεται η επίδραση της γείωσης, της αντίστασης σύνδεσης και της ενσωμάτωσης φερρίτη αρπάγης στην κυματομορφή, ώστε να επιτευχθεί προσομοίωση της ανθρώπινης παρουσίας και σύγκλιση αποτελεσμάτων. Τεκμηριώνεται ότι με κατάλληλη ρύθμιση παραμέτρων, ο ρομποτικός βραχίονας μπορεί να προσεγγίσει ικανοποιητικά την επίδραση του χειριστή. Παράλληλα, εξετάζεται η επίδραση του χειριστή στις έμμεσες εκφορτίσεις προς το οριζόντιο και το κάθετο επίπεδο σύζευξης υπό πραγματικές συνθήκες δοκιμής, αποδεικνύοντας ότι όχι μόνο επηρεάζει την κυματομορφή αλλά επηρεάζει και την επίδοση του εξοπλισμού υπό δοκιμή. Η εφαρμογή τεχνικών μέτρων, όπως προστατευτικά γάντια και υποδήματα, οδηγεί σε μερική εξομάλυνση των επιδράσεων. Η συνολική συμβολή της διατριβής έγκειται στην παροχή ενός ποσοτικά τεκμηριωμένου και εφαρμόσιμου πλαισίου για αξιόπιστες και πλήρως συμμορφούμενες αυτοματοποιημένες δοκιμές ατρωσίας σε ηλεκτροστατικές εκφορτίσεις, σύμφωνα με τις αυστηρές απαιτήσεις της τρίτης έκδοσης του Προτύπου IEC 61000-4-2.