07.静电消除器

项目功能

• 平衡带静电物体与人体之间的电压差，避免接触时刺激人体；
• 带灯光显示，灯亮表示该物体存在静电（与人体存在较大电势差），灯灭则代表静电泄放结束（与人体电势差为零）

硬件参数

• 使用6颗2.2MΩ 0603封装电阻串联实现分压和限流；
• 使用16颗0603红绿无极发光二极管作为灯光指示。

电路模块

本项目由以下两个部分电路组成：

• 分压&限流部分
  一般而言，人体静电电压的上限范围约为20~25kV，刚好能感觉到的电流（感知阈值）：大约 0.5～1 mA，不同人略有差异，着意味着通过人体的电流越大，对人体的刺激程度越高。而带静电物体说携带的电荷量是有限的，所以，我们需要做的就是延长放电时间，这样流过人体的电流也就更小，对人感官影响也就越弱。

  flowchart LR
      A[干燥环境<br>穿化纤<br>橡胶底鞋] --&gt; B[在地板/地毯上<br>走动或移动<br>摩擦产生静电]
      B --&gt; C[人体对地绝缘<br>电荷在身体上积累<br>人体电压升高<br>到几kV～几十kV]
      C --&gt; D[手接近/接触<br>金属门把手<br>（与大地等电位）]
      D --&gt; E[人体对门把手瞬间放电<br>空气击穿/接触放电<br>电压瞬时降到0]
      E --&gt; F[感到麻/痛/<br>看见火花<br>典型对应电压<br>≥约3kV]
  

  flowchart LR
      A[0.5-1 mA 刚能感觉到] --> B[3-5 mA 刺痛/麻木]
      B --> C[约 6-16 mA\n大部分成人“脱不开手”] 
      C --> D[约 30-50 mA\n严重肌肉痉挛\n呼吸受影响]
      D --> E[约 50-100 mA 以上\n有心室纤颤风险\n可能致命]
  

  根据公式

  $$I=\frac{U}{R} =\frac{Q}{CR}$$

  可知，若想电流越小，则R要尽可能地大。
  在不影响体感的前提下，我们尽可能选择应力更大的工况，那么理论上最少所需要的限流电阻就为$25kV\div3mA\approx8.33\times10^6Ω=8.33MΩ$ ，即电阻值高于此值时人体不会感觉到不适。我们采用6颗2.2MΩ电阻串联，则总的限流电阻为13.2MΩ，大于理论上需要的值，是符合需求的。

• 灯光指示部分
  带静电物体与人体之间的电势差方向是不确定的，那么意味着在接触电流有两个方向，所以可以利用这一点，玩点花样。这里选择双向异色二极管，电流方向不一致时，发出的光颜色也不一样。16颗灯珠分为两组，每组8颗，分别放在PCB的正反面。

  
  

实物图

注意事项

• 一定要阅读发光二极管和电阻的说明书，查询其焊接条件，建议使用无铅低温焊锡膏；
• 焊接结束后建议将元器件涂上三防漆，避免腐蚀，如果没有也可以用指甲油代替；
• 重要的事情说三遍，这不是电笔，不要接市电！不要接市电！不要接市电！

参考资料

• 立创开源工程《静电消除器》——月亮管理员小胡

• Mardiguian, M. (2009). Electrostatic Discharge: Understand, Simulate, and Fix ESD Problems (3rd ed.). John Wiley & Sons.

• Zap, D. Controlling static generation in carpets. ESD Technical eNewsletter: ESD Corner 3, 4 (Mar/Apr 2001).

• ESD Association. Fundamentals of Electrostatic Discharge: Part One—An Introduction to ESD. 2013. Rome, NY: ESD Association.

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