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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik ESD-Schutz für µC-Schaltung


Autor: Sven (Gast)
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Hallo,

ich habe immer wieder Probleme mit ESD und meiner µC Schaltung (ATmega 
8).
Das Einsatzumfeld ist denkbar schlecht (Gummiboden) und direkte 
Berührung der Steckkontakte möglich.

Wie schützt man eine µC-Schaltung richtig vor ESD.

1) Versorgungsspannung
Reicht hier eine Kapazität von 1nF gegen Masse?
Wird zusätzlich eine Zenerdiode benötigt?

2) Ausgänge
Ich habe 3 OC-Ausgänge eines BC847 am Stecker anliegen.
Reicht auch hier das typische 1n?

3) Eingänge
Selbes Spiel wie oben. Aktuell sind sehr hochomige (100k) 
Serienwiderstände verbaut. Auch hier mit einer Kapazität von 1nF 
absichern? Oder werden zusätzliche Bauteile benötigt?

Danke Sven

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Sven schrieb:
> Ich habe 3 OC-Ausgänge eines BC847 am Stecker anliegen.

Serienwiderstand, dahinter Z-Diode, deren Durchbruchspannung kleiner 
ist, als VCEmax des Transistors.

Sven schrieb:
> 3) Eingänge
> Selbes Spiel wie oben. Aktuell sind sehr hochomige (100k)
> Serienwiderstände verbaut.

Serienwiderstand, an Signalfrequenz angepasst und schnelle Schottky- 
oder speziellen ESD-Dioden zu beiden Versorgungsleitungen.

Autor: Sven (Gast)
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Knut Ballhause schrieb:
> Serienwiderstand, an Signalfrequenz angepasst und schnelle Schottky-
> oder speziellen ESD-Dioden zu beiden Versorgungsleitungen.

Kann man hier auf die interenen Dioden des µC zurückgreifen?

Was ist der Vorteil von schnellen Schottkys gegenüber der 1nF Kapazität.

Autor: tom (Gast)
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Klassisch mach ich 2.2nF gegen Masse an Ein- und Ausgänge. Bei den 
Eingängen (analog) häng ich dann noch 1k in Serie. Bei nem aktuellen 
Projekt kam das so durch den EMV-Test durch.
Da spielen aber noch mehr Faktoren eine Rolle -> Layout, Schaltung, 
Prozessor, usw.

Autor: Klaus Falser (kfalser)
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Littlefuse SP720 SP721
Eignen sich auch für schnelle Signale

Autor: Anja (Gast)
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Sven schrieb:
> Reicht auch hier das typische 1n?

Rechne mal ganz einfach:

Der ESD-Simulator hat 150 oder 330 pF Kapazität mit 4000 oder 8000V.
Den Serienwiderstand 330 Ohm vernachlässige ich mal für die Worst Case 
Abschätzung.

Wenn Du jetzt die 150pF mit 4kV auf 1nF umlädst hat dein 1nF Kondensator 
im Worst Case ca 500V. Der Transistor hält 50V. Dein Widerstand am 
Analogeingang ca 200V (oberhalb kann er durchschlagen).

In der Praxis (mit Verlusten gerechnet) wirst Du ausreichend 
spannungsfeste Kondensatoren mit niedrigen Dielektrischen Verlusten (X7R 
oder besser) zwischen 3,3nF und 22nF als ESD-Schutz brauchen. Beim 
Analog-Eingang gehe ich mal davon aus daß nach dem Serien-Widerstand 
noch ein Tiefpaß-Kondensator verbaut ist.
Also ESD-Kondensator - Serienwiderstand - Tiefpaß-Kondensator.
Wobei der Serienwiderstand laut Datenblatt nicht wesentlich über 10KOhm 
sein sollte insbesonders bei höheren Temperaturen.

Gruß Anja

Autor: Elena (Gast)
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>Wenn Du jetzt die 150pF mit 4kV auf 1nF umlädst hat dein 1nF Kondensator
>im Worst Case ca 500V.

Achtung, das gilt nicht für unlineare keramische Kondensatoren, also die 
mit einem X oder Z am Anfang! Untersuchungen zeigen, daß ein solcher 1nF 
Cap dann Spannungen von weit über 1kV aufbauen kann und dadurch zerstört 
wird.

Will man keramische Caps für den ESD-Schutz verwenden, muß man einen 
Sicherheitsfaktor berücksichtigen und den Cap-Wert wesentlich höher 
wählen. 10nF sollte er mindestens mitbringen.

Autor: Anja (Gast)
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Elena schrieb:
> Untersuchungen zeigen, daß ein solcher 1nF
> Cap dann Spannungen von weit über 1kV aufbauen kann und dadurch zerstört
> wird.

Deswegen sagte ich ja "ausreichend Spannungsfest" und "niedrige 
Dielektrische Verluste". Man darf halt nicht die kleinste verfügbare 
Bauform verwenden. Je nach Herstellverfahren sollte man schon mindestens 
0805 oder 1206 einplanen. Besonders widerstandsfähig sind Bauteile die 
im sog. "Naßverfahren" hergestellt wurden, da darfs dann eine Nummer 
kleiner sein. (sind aber dafür eine ganze Ecke teurer).

Mit X7R >=3,3nF im 1206 Gehäuse (100V besser 200V) geht es 
erfahrungsgemäß ohne Probleme.

In der Stückliste muß natürlich der genaue Typ und Hersteller gelistet 
sein.

Vielfach merkt man einen Bauteilausfall nicht sofort. Der Kondensator 
hat dann statt mehrere GigaOhm erst mal nur mehrere zig oder hundert 
Kiloohm.

Gruß Anja

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Man sollte die Geschwindigkit und Impedanz der Signale beachten. Bei DC 
Signalen, zB Speisung, verwende ich 100nF gegen Masse. Fuer RS232 bei 
niederen Geschwindigkeiten 1..10nF. Die 1..10nF sollten in den Flanken 
bei Normalbetrieb nicht zuviel Strom ziehen.

Autor: Elena (Gast)
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>Mit X7R >=3,3nF im 1206 Gehäuse (100V besser 200V) geht es
>erfahrungsgemäß ohne Probleme.

Gemäß folgendem Link lädt sich ein 3,9nF/100V/X7R Cap bei einem 8kV ESD 
auf ca. 1000V auf. Da der Breakdown bei 100V/X7R-Caps schon bei 700V 
einsetzen kann, würde dieser Cap ausfallen!

http://www.kemet.com/kemet/web/homepage/kfbk3.nsf/...

Ein 3,3nF/200V/X7R Cap würde es gerade so schaffen, hätte aber keinerlei 
Reserven. Man bedenke, daß X7R-Caps +/-10% Toleranz haben und an den 
Temperaturgrenzen zusätzlich noch 15...20% ihrer Kapazität verlieren. 
Das bedeutet, daß die Aufladespannung noch einmal um bis zu 30% über den 
dokumentierten Werten liegen kann. Dann hält auch ein 3,3nF/200V/X7R 
nicht lange.

Für einen zuverlässigen ESD-Schutz sollte ein 100V/X7R-Cap mindestens 
10nF haben. Wer kann, sollte eine 200V Version einsetzen. Von 
schlechteren keramischen Massen als X7R sollte man unbedingt die Finger 
lassen.

Autor: Yoschka (Gast)
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Ich weiss gar nicht was ihr so auf den Kondensatoren rumreitet.
Nach dem RC Glied kommen zwei Dioden nach GND und VCC.
Die verhinden den Spannungsanstieg.

Autor: Elena (Gast)
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>Ich weiss gar nicht was ihr so auf den Kondensatoren rumreitet.
>Nach dem RC Glied kommen zwei Dioden nach GND und VCC.
>Die verhinden den Spannungsanstieg.

Weil der CAP den ESD aushalten muß. Machst du einen Widerstand in Serie 
hin, muß der Widerstand die 8kV aushalten, was er in der Regel nicht 
tut.

Der Cap am Eingang nimmt den Haupt-ESD auf, der Diodenbegrenzer den 
Rest-ESD.

Autor: klaus (Gast)
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Elena schrieb:
> Weil der CAP den ESD aushalten muß. Machst du einen Widerstand in Serie
> hin, muß der Widerstand die 8kV aushalten, was er in der Regel nicht
> tut.

Verstehe ich nicht ganz, habe aber auch keine Ahnung von ESD Schutz:

Wenn es am Eingang doch 8kV sind und ein Widerstand damit probleme 
hätte, was nützt dann ein C mit Spannungsfestigkeit von 200V? Es sieht 
doch schon so aus oder:
         ____
----+---|____|----+--+------
    |             |  |
   ---            -  Z
   ---            Z  -
    |             |  |
----+-------------+--+------

Autor: Elena (Gast)
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>Wenn es am Eingang doch 8kV sind und ein Widerstand damit probleme
>hätte, was nützt dann ein C mit Spannungsfestigkeit von 200V?

Laut ESD-Test entlädt sich ein auf 8kV aufgeladener 150pF Cap in den 
Eingang. Der erste Cap in deiner Schaltung fängt den Haupt-ESD auf und 
lädt sich, ja nach Größe, auf 100...200V auf. Diese restlichen 
100...200V fallen jetzt über deinem Widerstand ab und müssen irgendwohin 
kontrolliert abfließen. Entweder über deine Zenerdioden oder über Dioden 
zu den Rails.

Autor: klaus (Gast)
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Elena schrieb:
> Laut ESD-Test entlädt sich ein auf 8kV aufgeladener 150pF Cap in den
> Eingang. Der erste Cap in deiner Schaltung fängt den Haupt-ESD auf und
> lädt sich, ja nach Größe, auf 100...200V auf. Diese restlichen
> 100...200V fallen jetzt über deinem Widerstand ab und müssen irgendwohin
> kontrolliert abfließen. Entweder über deine Zenerdioden oder über Dioden
> zu den Rails.

Achso, heißt das eine voll geladene Kapazität von 150pF ergibt bei 
Umladung in eine z.B. 100nF große Kapazität maximal eine Spannung von 
z.B. 200V.

Autor: ESD-Geplagter (Gast)
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Berührbare Kontakte sind übel, hier würde ich zuerst ansetzen.

Das tückische an der Sache ist nur, daß 8kV locker um das 2 bis
5-fache überboten werden können. Kunstfaser Klamotten und trockene
Luft sind da besonders gemein. Die Spannungen hatten wir schon erreicht.

Von außen berührbare Kontake waren bei unseren Geräten (sensible Meß-
technik) tabu.

Allein durch Unaufmerksamkeit kann da doch was hinkommen was nicht
Kontakt machen soll.

Autor: Elena (Gast)
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>Achso, heißt das eine voll geladene Kapazität von 150pF ergibt bei
>Umladung in eine z.B. 100nF große Kapazität maximal eine Spannung von
>z.B. 200V.

Ja, so ganz grob. Bei 100nF wäre die Spannung aber schon deutlich 
kleiner als 200V.

Autor: Torsten R. (tom365)
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Hallo Leute,
der Thread ist zwar schon älter.
Ich stehe jetzt aber vor dem gleichen Problem:

Habe vor den analogen Eingängen noch einen Spannungsteiler 1:2 (2x 
100Kohm)
und einen Kondensator (1µF)zum MC-Pin vorgeschaltet.
Habe festgestellt das die SMD-Widerstände noch empfindlicher  auf ESD
reagieren als die meisten alten Halbleiterbauteile mit Drahtanschlüssen!
Der Funke springt nicht nur über sondern verändert auch massiv den
Widerstandswert!

unbeschädigt 100Kohm  (RK73H2ATTD2201F)
1.Impuls  45kohm
2.Impuls  17.7kohm
2.Impuls  8.4kohm



Ist der Testimpuls von einen Piezo-Anzünder doch etwas zu heftig?
Was sind eure Erfahrungen ?

: Bearbeitet durch User
Autor: Thomas O. (kosmos)
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wieso überhaupt so hochohmig arbeiten, damit fängt man sich nur 
Störungen ein und provoziert ja einen internen Überschlag im Widerstand. 
Es sollten hier auch spezielle Widerstände sein die eine kurzzeitige 
Überlastung überstehen.

https://www.google.de/search?q=surge+resistor

Autor: M.A. S. (mse2)
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Elena schrieb:
> Gemäß folgendem Link lädt sich ein 3,9nF/100V/X7R Cap bei einem 8kV ESD
> auf ca. 1000V auf. Da der Breakdown bei 100V/X7R-Caps schon bei 700V
> einsetzen kann, würde dieser Cap ausfallen!
...und auch wenn der nicht ausfällt: sicherlich alles dahint, das man 
eigentlich schützen wollte.

Ich würde grundsätzlich Suppressordioden zum Schutz vor ESD empfehlen.

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