Poznámky k manipulácii s elektronickými zariadeniami.

Úvodom vysvetlenie niektorých pojmov, v zmysle tejto úvahy

Elektronické zariadenie je každé zariadenie, ktorého elektronická časť môže byť nesprávnou manipuláciou poškodená buď elektrostatickým výbojom, alebo vyrovnávacími prúdmi. Do tejto skupiny patria aj všetky naše simulátory a programátory.

Elektrostatický náboj môže byť vytvorený a udržaný na rôznych predmetoch, napr. na oblečení z umelých vláken, na pohybujúcich sa strojoch, na objektoch obtekaných vzduchom, na plastických obaloch rôzneho druhu, na papieri z kopírky a aj na človeku. Nabíjanie sa deje trením dvoch povrchov, z ktorých aspoň jeden je nevodivý. Veľkosť a polarita náboja závisí od rôznej afinity elektrónov k navzájom sa treným materiálom, od trecej sily a od vlhkosti a náboja okolitého vzduchu.

Elektrostatický výboj (ElektroStatic Discharge, ESD) je prenos elektrostatického náboja medzi predmetmi s rozdielnym potenciálom pri ich priamom dotyku alebo prierazom vzduchovej medzery elektrostatického poľa. Podľa normy môže veľkosť náboja na človeku dosiahnuť hodnoty až +- 8kV pri výboji priamym dotykom a až +- 15 kV pri výboji prierazom, čo znamená špičkové prúdy 1-10A.

Vyrovnávací prúd je prúd medzi dvoma elektrickými zariadeniami prepojenými vodičom, snažiaci sa dostať obidve zariadenia na spoločný potenciál. Tento prúd môže tiecť okamih (zlomky sekúnd), alebo trvale. V prvom prípade zariadenia nie sú galvanicky spojené, ale napr. kapacitnou väzbou cez oddeľovací transformátor majú rôzne potenciály. V druhom prípade môže ísť o sieťové zariadenia, napájané síce z tej istej fázy, ale z dvoch rôznych zásuviek, medzi ktorými je potenciálový rozdiel. Tento rozdiel vzniká následkom nerovnakého úbytku napätia na GND vodiči od prechádzajúceho prúdu danou vetvou napájania.

A teraz k veci: ESD

Všeobecné pravidlá pre manipuláciu s elektronickými obvodmi, citlivými na elektrostatický výboj sú uvedené vo väčšine katalógov elektronických súčiastok, preto ich vymenujem len niekoľko bez nároku na úplnosť. Uzemnenie pracovného stola, podlahy aj pracovníka cez rezistor cca 500k|, všetky prístroje majú byť uzemnené, relatívna vlhkosť vzduchu aspoň 50%, prípadne použitie ionizátora vzduchu. Podobné pravidlá, ako pre obvody, platia samozrejme aj pre zariadenia, ktoré majú priamemu dotyku (napr. prstom) sprístupnené časti takýchto citlivých obvodov! Jedná sa hlavne o rôzne "starter kity" bez krytovania, ale aj o všetky emulátory, simulátory a programátory, ktoré (až na "high end") nemajú doplnkovými obvodmi chránené rozhrania s okolím. Napr. vývody emulačnej pätice idú priamo na pomocné obvody emulátora, prípadne priamo na emulačný procesor bez ochranných prvkov, ktoré by - ak by mali byť naozaj funkčné - neúnosne predražovali hlavne low cost zariadenia.

• vytypujte si vodivý predmet, uzemnený cez rezistor cca 500 kOhm, ktorého sa dotknete pred prácou ("touch me first" point). Ak vypustíte rezistor a uzemníte napr. kovový rámček s fotografiou svokry, bude to ako naživo.
• snažte sa používať odev, poťah stoličky a stola z prírodných materiálov.
• túžbu pohladkať kolíky konektora alebo emulačnej pätice potlačte aspoň dovtedy, kým svoju (elektrostatickú) energiu nevybijete do niečoho iného. Najlepšie je kontakt prstov s konektormi vylúčiť úplne aj z dôvodu možného znečistenia kontaktov.
• ochrannú špongiu nasaďte na emulačnú päticu simulátora/emulátora vždy, keď ju vyberiete zo zariadenia.
• ak si navzájom podávate obvody, hádžte si ich. Predídete tak vyrovnávaniu potenciálov práve cez obvod. Pokiaľ nemáte k druhej osobe dotykovú averziu, alternatívnym riešením je dotknúť sa jej pred podaním obvodu.

Zásady pri vzájomnom prepájaní elektronických zariadení

Každý vývojár vie, že "zem" je to najdôležitejšie. Ak dve zariadenia nemajú spoločnú zem, pri ich vzájomnom pripájaní tečú vyrovnávacie prúdy. Tieto tečú samozrejme ako chcú a hlavne ako my nechceme. Veľkosť týchto vyrovnávacích prúdov závisí od rozdielu potenciálov jednotlivých zariadení (milivolty až stovky voltov), od ich vnútornej impedancie a od impedancie prepojovacej cesty (až skrat).

Ak uvažujeme zariadenia, napájané zo siete 220V, tak potenciálové rozdiely "zemí" môžu byť až desiatky voltov pri veľmi nízkej impedanci zdrojov. V prípade "priaznivých" okolností - najmä pri spojení GND/ GND - môže dôjsť až k poškodeniu izolácie vodičov od nadmerného prúdu (prípadne k poškodeniu priamo vodičov resp. vodičov na DPS v zariadeniach), tečúceho týmto vodičom. Rozsah poškodenia zariadenia závisí tiež od toho, ktoré vodiče rozhrania sa navzájom dotknú prvé. Ak sa prvé dotknú zeme, potom sa - až na výnimky - nič nestane. Ak sa prvé dotknú signálové vodiče, zvyčajne dôjde k poškodeniu ochranných prvkov elektronických obvodov (záchytné diódy). Vo všeobecnosti odporúčam napájať zariadenia z tej istej zásuvky 220V a prípadne aj multimetrom (AC aj DC rozsah) overiť rozdielové napätie medzi zemami prepájaných zariadení. Zeme prístrojov galvanicky oddelených (transformátorom) od napájacej siete je vhodné prepojiť samostatným vodičom.

Obrázok znázorňuje odprúčané zapojenie pri ISP programovaní.

Poznámky k manipulácii s elektronickými zariadeniami firmy Elnec

• Na poškodenie sú náchylnejšie obvody s vyššou integráciou, preto v pomyselnom rebríčku citlivosti na poškodenie elektroniky sú na prvom mieste programátory, ktorých jadro tvorí FPGA. Dodržujte preto zásady manipulácie (ESD), hlavne keď pracujete s programátormi T51prog/T51prog2, PIKprog+/PIKprog2, MEMprog/MEMprog2 a SmartProg/SmartProg2.
• Programátory vyššej cenovej triedy ((BeeHive8S, BeeHive4+/BeeHive4, BeeProg/BeeProg+, JetProg, LabProg+) a tiež SIMEPROM-02aLV sú chránené špeciálnymi obvodmi pre ESD výbojmi až do 15kV
• Označte si svoj programátor/simulátor Elnec, pretože ak ho bude mať každý, budete si ich pliesť ;-).
• Po ukončení práce odložte programátor/simulátor na miesto dobre viditeľné hlavne návštevám. Jednak aby sa zariadenia nepovaľovali po stole alebo po zemi a tiež preto, aby si každý príchodzí všimol, s čím pracujete.
• Celkom na záver. Niekde som čítal tvrdenie, že "skúsenosť konštruktéra je úmerná počtu zničených obvodov". Pre zmenšenie pocitu viny sa s týmto prehlásením odporúčam stotožniť. Aj keď autor možno myslel "nepriamo úmerná".

Presov, April 2005
Author: Jan Puobis, Elnec