Bevor es funkt: ESD vs. antistatisch

Elektrische Spannung als Ursache

Täglich entstehen durch uns kleinere und größere Spannungsdifferenzen. Beim Gehen reibt Kleidung aneinander, wir ziehen Schutzfolie von einer Oberfläche ab oder schütten Zucker in ein anderes Gefäß: Bei jeder dieser Handlungen entstehen Potenzial- oder Spannungsdifferenzen.

Info: Wie entstehen eigentlich Spannungsdifferenzen?

Den Zusammenhang finden wir im Aufbau von Atomen. Machen wir also einen kurzen Ausflug in die Physik: Jedes Atom hat im Kern positiv geladene Teilchen (=Protonen). Die Hülle besteht aus negativ geladenen Teilchen (=Elektronen). Ist das Atom elektrisch neutral, so hat es genauso viele Elektronen wie Protonen. Bei den anfangs beschriebenen Handlungen gehen die Elektronen von einem Atom auf andere Atome über. Die Anzahl der Protonen bleibt gleich. Im Endeffekt haben wir auf der einen Seite Atome mit mehr Elektronen als Protonen. Auf der anderen Seite ist es andersrum: Es fehlen ausreichend negativ geladenen Teilchen und die positiven sind in der Überzahl.

Wir nehmen diese Spannungsdifferenzen wahr, weil sich Gegenstände anziehen oder wir eine gewischt bekommen. Gerade Letzteres bietet ein hohes Gefahrenpotenzial. Das sind energievolle Entladungen, die für einen Spannungsausgleich sorgen. Oft reicht dieser Funken, um ein leicht entflammbares Gemisch zu entzünden. Auch wenn wir die Spannungsdifferenz nicht wahrnehmen, kann sie für Schäden sorgen. Folgende Beispiele zeigen dir mögliche Auswirkungen:

• Situation 1

  In einer Lebensmittelfabrik löst ein Mitarbeiter eine Explosion aus. Beim Gehen hat sich seine Alltagskleidung elektrisch aufgeladen. Das Freisetzen dieser Energie hat im Bruchteil einer Sekunde das Luft-Staub-Gemisch in der Fabrik entzündet.

• Situation 2

  Ein Mikrochip wird zerstört, weil ein Mitarbeiter vergessen hat, sein Handgelenkband zu nutzen. Bei ihm baute die Reibung seiner Kleidung eine elektrische Ladung auf. Der Schaden am Mikrochip ist nicht zu sehen. Die Firma baut ihn ein und liefert dadurch ein defektes Gerät aus.

Wie du anhand der Beispiele erkennst, kann elektrische Spannung schreckliche Folgen haben oder im Verborgenen für Schäden sorgen. In beiden Situationen sind die Mitarbeitenden die Ursache für die Aufladung. Dennoch sind die Auswirkungen grundverschieden. Sind das auch die betreffenden Schutzmaßnahmen?

Situation 1: DIN EN 1149-5 Antistatische Schutzkleidung

In dem ersten Beispiel hätte das Tragen von Kleidung, die nach DIN EN 1149-5 zertifiziert ist, die Explosion verhindern können. In dieser Norm steht der Schutz des Menschen im Vordergrund, weshalb es sich bei der Bekleidung um persönliche Schutzausrüstung (PSA) handelt. Sie beugt Funkenbildung vor und ist daher für ATEX-Bereiche (=Atmosphères Explosives – explosionsgefährdete Bereiche) geeignet.

Vereinfacht gesagt, kann Bekleidung mit antistatischer Zertifizierung zwei Dinge: Erstens verhindert sie bestmöglich eine elektrostatische Aufladung. Zweitens sorgt sie für eine schnelle und kontrollierte Ableitung, wenn sich eine Ladung aufgebaut hat. Die Bekleidung ist antistatisch. Diese Norm bezieht sich auf drei andere, von denen das Material mindestens eine erfüllen muss:

• EN 1149-1 Oberflächenwiderstand
  Prüft, wie gut ein Material über seine Oberfläche eine Ladung abfließen lässt. Maximal 2,5 x 109 Ohm.
• EN 1149-2 Durchgangswiderstand
  Misst den vertikalen elektrischen Widerstand von Materialien.
• EN 1149-3 Ladungsabbau
  In weniger als 4 Sekunden müssen mindestens 50% der Ladung abgebaut sein.

Sind die Werte eingehalten, definiert die DIN EN 1149-5 die Konstruktionsanforderungen:

• Metallteile müssen verdeckt sein.
• Alle verwendeten Einzelteile müssen der Norm entsprechen.
• Sind zusätzliche Elemente (Reflexionsstreifen usw.) notwendig, müssen diese permanent angebracht sein. Bestandteile, wie zum Beispiel ein abnehmbarer Ausweishalter, sind nicht zulässig.

Die Norm beschreibt ausschließlich die Voraussetzungen für Bekleidung. Schuhe, Handschuhe, Werkzeuge und zusätzliche Ausrüstung wie Helme etc. umfasst diese nicht. Für diese gelten spezielle Normen. Sie sind notwendig, um die vollständige Erdung der Mitarbeitenden sicherzustellen. Tragen diese nur antistatische Jacken, ist der Schutz unvollständig. Jede Art von Material kann eine elektrische Ladung aufbauen, die zur potenziellen Gefahr wird.

Um dieser Gefahr zu entgehen, muss die Oberbekleidung antistatisch sein und die darunter liegende Bekleidung vollständig abdecken. Das gesamte Umfeld und alles, was die Mitarbeitenden tragen, anfassen, bewegen, nutzen etc. müssen antistatisch bzw. geerdet sein.

Situation 2: DIN EN 61340-5-1 ESD-Schutz für Bauteile

Die Spannungsdifferenzen, die wir aufbauen, gleichen wir mit winzigen Entladungen aus. Ab einer Stärke von ca. 3.000 Volt spüren wir diesen Ausgleich und wir kriegen eine gewischt. Geringere Entladungen nehmen wir nicht wahr. Sie haben dennoch Auswirkungen auf unsere Umwelt: Elektrische und elektronische Bauteile können bereits ab 35 Volt Schaden nehmen.

Wir merken nicht, wenn beim Montieren solche kleinen Entladungen auftreten. Ist die defekte Komponente eingebaut, kann es zu Funktionsstörungen am fertigen Gerät führen. Abhängig vom Endprodukt kann das einen rein wirtschaftlichen Schaden verursachen, wenn zum Beispiel ein Farbfehler in einem Bildschirm entsteht. Löst die Beschädigung einen Kurzschluss aus, können Sach- und Personenschäden die Folge sein.

Im Gegensatz zur vorherigen Norm dient die DIN EN 61340-5-1 dem Produktschutz. Entsprechend zertifizierte Kleidung ist keine PSA. Grundsätzlich bezieht die Norm den gesamten Arbeitsbereich ein. Sie behandelt Bekleidung genauso wie Fußböden, Verpackungen und viele weitere Faktoren. Sie ist ein grundlegender Leitfaden, der Schäden durch elektrostatische Entladungen (engl. electrostatic discharge = ESD) verhindern soll. Sie definiert drei Hauptziele:

1. Vermeidung, dass ein anderes Objekt sich in das Bauteil entlädt.
2. Ist ein Bauteil bereits aufgeladen, soll es sich nicht (unkontrolliert) entladen.
3. Sind die ersten beiden Möglichkeiten nicht beeinflussbar, braucht das Bauteil einen Schutz.

Zwei Methoden unterstützen diese Ziele: Entweder ist alles miteinander verbunden, sodass keine Spannungsdifferenz entstehen kann. Oder entsprechende Isolatoren verhindern einen unkontrollierten Ausgleich bei einer bestehenden Differenz. In Verbindung mit sogenannten Ionisationssystemen kann der Ausgleich kontrolliert erfolgen.

Zusätzlich zu den Vorgaben, Grenzwerten und Prüfmethoden betont diese Norm, dass die Schulung von Mitarbeitenden zum Thema ESD-Schutz absolut wichtig ist. Das eigene Personal stellt nach wie vor eine der Hauptursachen für ESD-Schäden dar. Wir können das nachvollziehen: Niemand von uns merkt die kleinen Stromschläge, die etwas zerstören können. Die Auswirkungen sind nicht so unmittelbar wie beispielsweise ein Nagel, den wir uns eintreten. Oft sind die Schäden erst Monate später erkennbar. Obendrein ist es häufig schwierig, sie eindeutig zurückzuverfolgen. Daher sind wiederkehrende Schulungen wichtig, um Mitarbeitende für den ESD-Schutz zu sensibilisieren.

Ist ESD gleich antistatisch?

Sowohl der ESD-Schutz und die antistatische Bekleidung reduzieren den Aufbau und das Risiko von Spannungsdifferenzen. Können wir daher ESD-fähige Bekleidung überall da nutzen, wo antistatische Bekleidung vorgeschrieben ist? Und andersrum?

Nein. So leicht ist das nicht.

Ein Unterschied springt sofort ins Auge: DIN EN 613450 beschreibt keine PSA, sondern ist ein komplexes Maßnahmenprogramm. Es handelt sich dabei um Produktschutz. Bei der DIN EN 1149-5 steht der Personenschutz im Vordergrund; sie beschreibt PSA.

Zusätzlich haben beide Normen verschiedene Vorgaben und Kriterien, die wir nicht miteinander vergleichen können. Sie unterscheiden sich in ihren Grenzwerten und ihren Prüfaufbauten. Zusätzlich sind die Ansprüche zu den Fasern sehr unterschiedlich.

Da antistatische Bekleidung in explosionsgefährdeten Bereichen genutzt wird, ist diese oft auch mit flammenhemmenden Eigenschaften ausgestattet. Trägst du ESD-Bekleidung in einem Bereich, der antistatische Bekleidung vorschreibt, riskierst du im schlimmsten Fall deine Gesundheit und dein Leben. Bei einer Explosion bist du ohne Schutz den Flammen ausgesetzt.

Andersrum kannst du empfindliche Mikrochips zerstören, wenn du im ESD-Bereich mit antistatischer Bekleidung ausgerüstet bist. Die Grenzwerte und auch die Prüfverfahren bieten keinen zuverlässigen Schutz vor kleinen Entladungen. Diese spüren wir nicht und dennoch können sie elektronisch und elektrische Bauteile schädigen.

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