Hey, ich möchte einige GPIOs des ESP32 per Steckverbinder erreichbar machen und brauche daher einen passenden ESD-Schutz. Ich frage mich, wie viel nötig ist für einen optimalen Schutz. Im Anhang seht ihr zwei Beispiele. Gehen wir davon aus, dass ich eine TVS-Diode mit einer Klemmspannung zwischen 8 und 11 V. Z.B.: https://datasheet.lcsc.com/lcsc/1911300908_Diodes-Incorporated-T3V3S5-7_C460614.pdf Bei einem ESD-Ereignis muss ich dementsprechend davon ausgehen, dass der ESP32 einer Spannung von > 8 V ausgesetzt wird. Durch den 1k Widerstand will ich den Strom begrenzen, sodass der Puls für die interne Diode handlebar bleibt. Kann ich davon ausgehen, dass die linke Schaltung bereits ausreicht um den ESP zu schützen? Hier werden natürlich die internen Klemmdioden es ESP32 beansprucht. Oder sollte ich lieber externe Dioden dazu werfen wie im rechten Beispiel. Leider finde ich keine Doku zu den internen Schutzmaßnahmen der ESP32 GPIOs. Wer was hat, gerne her damit.
Beide Schaltungen reichen nicht aus, weil sie Überspannung einfach nach VCC ableiten, welche dann über 3,3V ansteigen kann. Ich will die jetzt keine "bessere" Alternative vorschlagen, denn ich kenne deine Anforderungen. Mit wilden Mutmaßungen würde ich dir womöglich eine noch schlechtere empfehlen, das will ich vermeiden. Nenne deine Anforderungen, und zwar nicht nur wovor du die Pins schützen willst, sondern was noch gut durch gelassen werden soll.
rasz schrieb: > Kann ich davon ausgehen, dass die linke Schaltung bereits ausreicht um > den ESP zu schützen? ja! die TVS Diode ist so aber relativ überflüssig denn der Ableitstrom zu VCC wird schon über den 1k begerenzt und dann wäre zu klären welche Spannungen du erwartest!, bei 10000V wären das 10A da muss der Widerstand recht dick werden und da der ESP keine 10A aufnimmt würde die Spannung auch zu hoch steigen. 1k finde ich recht hoch um je nach Signalrichtung ein sauberes low zu ermöglichen. Ein Begrenzungswiderstand vor der TVS Diode wäre dann aber auch nötig, kurzum, so pauschal gibt es keine allgemein gültige Antwort. Für wenige Volt reichten mir immer BAT42 als Ableitdioden und 470 Ohm als Rv ohne TVS. So genau sind TVS auch nicht in der Spannung, schau dir die Kennlinienschar einfach mal an, entweder sie sind zu früh oder mit 5,5V auch zu spät! Zur TVS gehört dann auch eine Polyfuse die den Strom unterbricht bevor die TVS durchlegiert!
Reicht aus, reicht definitiv nicht aus. Aussage gegen Aussage :P OK, es fehlen ein paar Infos, sehe ich ein. Die Schaltung soll Tests nach IEC 61000-4-2 überstehen. Also 8kV Kontakt- bzw 16kV Air-gapped-einschläge. Was die Pins noch können sollen: Als Eingabegeräte würde ich gerne z.B. einfache Schalter aber auch z.B. einen digitalen Hall-Sensor wie den Honeywell SS460S benutzen können. Der hat als Ausgang eine Stromsenke. Auch denkbar wäre den Eingang eines anderen µC zu schalten bzw mit einem Ausgang eines anderen µC verbunden zu sein. Das sollte ja alles noch möglich sein mit den oben gezeigten Schaltungen. Stefan ⛄ F. schrieb: > nach VCC ableiten, welche dann über 3,3V ansteigen kann. Die Spannungsversorgung ist mittels eines Schaltreglers (LM257) realisiert. Die Spannung könnte doch nur auf max. die Klemmspannung angehoben werden, die dann sofort vom Regler wieder ausgeglichen würde. Oder ist diese Annahme falsch? Joachim B. schrieb: > bei 10000V wären das 10A da muss der > Widerstand recht dick werden und da der ESP keine 10A aufnimmt würde die > Spannung auch zu hoch steigen. Klar, bei 16kV nach dem IEC standard würde ein kleiner 0402 oder 0603 Widerstand wohl sofort platzen. Daher ja die TVS-Diode, durch die der größte Teil des Stroms abfließen soll. Mit dem sollte die Diode ja fertig werden lt. Datenblatt (siehe Anhang), oder übersehe ich was? Joachim B. schrieb: > entweder sie sind zu früh oder mit > 5,5V auch zu spät! Beim ESD-Einschlag stellt das ja kein Problem dar, oder? Nur wenn ich dauerhaft eine Spannung über dem für den ESP verträglichen Level habe (3.6V) und unter der Durchbruchsspannung.
rasz schrieb: > Die Spannungsversorgung ist mittels eines Schaltreglers (LM257) > realisiert. Die Spannung könnte doch nur auf max. die Klemmspannung > angehoben werden, die dann sofort vom Regler wieder ausgeglichen würde. > Oder ist diese Annahme falsch? Sie ist falsch. Der Spannungswandler kann die Versorgungsspannung nicht herunter ziehen. Schon gar nicht in ausgeschaltetem Zustand. Du hast deine Anforderungen viel zu schwammig beschrieben. Wir brauchen berechenbare Zahlen: Stromstärken, Spannungspegel, Frequenzen, Pulsbreiten, maximale Verzögerung, etc. > Also 8kV Kontakt Ich bin dieser Thematik nicht firm. Heißt das, du willst eine Spannungsquelle mit 8000 Volt an die Pins anlegen? Bei 1kΩ wären das 8000 Ampere oder 64.000 Watt!
Stefan ⛄ F. schrieb: > Sie ist falsch. Der Spannungswandler kann die Versorgungsspannung nicht > herunter ziehen. Schon gar nicht in ausgeschaltetem Zustand Ist eine Frage des Stromverbrauches der Schaltung. Wenn der Klemmstrom 2mA ist und der Stromverbrauch 20mA, dann muss der Regler eben nur 18mA aufbringen. Wenn 20mA über die Eingangsschutzbeschaltung fließen, dann ist der IC sowieso kaput. Wenn es sich um langsame Eingangssignale handelt, dann würde ich den Schutzwiderstand noch größer wählen und eine Kapazität gegen GND schalten. Damit würden schnelle Transienten schon durch die Kapazität abgefangen. Der Tiefpass schützt auch gegen Störspannungen. Beispiel im Anhang : Kondensatoren (rot umrahmt) auf der Leiterplattenoberseite, Schutzwiderstände auf der Leiterplattenunterseite. Beides sehr nahe bei den Pins. Beim Prototypen läßt sich die Beschaltung optimieren. Manche Kondensatoren habe ich nicht bestückt, z.B. C104 bis C107, C117 bis C119.
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Stefan ⛄ F. schrieb: > Du hast deine Anforderungen viel zu schwammig beschrieben OK, das ist gar nicht so einfach, da ich die Schaltung so entwickeln will, dass ich später Sensoren an die GPIOs anschließen kann, an die ich momentan vielleicht noch gar nicht gedacht habe. Aber ich probier's mal: - Frequenz bis 1500 Hz - Lieferbare Stromstärke >= 3 mA - Extern angeschlossene MOSFET und BPT noch schaltbar - IEC62000-4-2 ESD-Test bestehen Stefan ⛄ F. schrieb: > Schon gar nicht in ausgeschaltetem Zustand. Guter Punkt, scheint als sollte ich noch mehrere Klemmdioden von der Versorgung nach GND vorsehen. Stefan ⛄ F. schrieb: > Heißt das, du willst eine Spannungsquelle mit 8000 Volt an die Pins anlegen? Na ja, jain. Die Quelle ist eine ESD-Prüfpistole und der Puls sieht so aus wie im angehängten Graph dargestellt. Das Bild ist aus [diesem PDF von TI](https://www.ti.com/lit/sg/sszb130c/sszb130c.pdf). Es ist nicht so, dass dauerhaft eine 8 kV Spannungsquelle anliegt. Gerald K. schrieb: > dann würde ich den Schutzwiderstand noch größer wählen Na gut, ein bisschen Strom soll schon noch durch kommen. Zumindest ein Bipolartransistor bzw. Mosfet sollte noch gut schaltbar sein. Das geht mit meinen 3.3 V Versogungsspannung und 1 kΩ ja noch. Wird der R noch größer, wird es langsam eng für einen BPT, wenn ich mich nicht täusche. Gerald K. schrieb: > Kapazität gegen GND schalten. Sehr gute Idee. Danke auch für den Tipp, diese direkt am Chip zu positionieren. So fange ich auch auf die Leiterbahnen induzierte Störungen ab. Ich hab mal ne neue Schaltung angehängt mit C. Brauche ich, zum Schutz von D2 vor Überstrom, noch einen Widerstand? So ist es z.B. in https://www.digikey.com/en/articles/protecting-inputs-in-digital-electronics in Abb. 12 bzw. 13 gezeigt ist? Würde der nicht sofort abrauchen? Oder verstehe ich die Eigenschaften des ESD-Pulses noch nicht?
rasz schrieb: > OK, das ist gar nicht so einfach, da ich die Schaltung so entwickeln > will, dass ich später Sensoren an die GPIOs anschließen kann, an die ich > momentan vielleicht noch gar nicht gedacht habe. Das ist die perfekte Methode, Aufwand und Kosten explodieren zu lassen, bevor man zu Ergebnissen kommt. Vergiss das, eierlegende Wollmilchsäue kann man schon relativ preisgünstig fix und fertig kaufen. > Lieferbare Stromstärke >= 3 mA Geht aber nicht mit 1kΩ. Du musst den Strom durch die TVS Diode begrenzen, falls von außen Überspannung angelegt wird.
Stefan ⛄ F. schrieb: > Geht aber nicht mit 1kΩ. Weil: schon bei 1mA fallen an dem Widerstand 1V ab, und dann bist du bereits an der Grenze von gültigen HIGH Pegeln. > Würde der (Widerstand vor D2) nicht sofort abrauchen? Ich sage mal so: Die üblichen kleinen SMD Widerstände eignen sich nicht für tausende Volt, alleine schon wegen dem Abstand der Pins. Da wird ein Funke überspringen und dann wird alles dahinter ebenfalls gegrillt. Gegen direkte Blitzeinschläge gibt es keinen wirksamen Schutz für derartige Fein-Elektronik.
Stefan ⛄ F. schrieb: > Vergiss das, eierlegende Wollmilchsäue kann man schon relativ > preisgünstig fix und fertig kaufen. Was meinst du, hast du ein Beispiel? Stefan ⛄ F. schrieb: > Weil: schon bei 1mA fallen an dem Widerstand 1V ab, und dann bist du > bereits an der Grenze von gültigen HIGH Pegeln. Argh, da hab ich falsch herum gedacht. Mit einem 330 Ω bekomme ich noch 3 mA durch und habe ca 1 V Spannungsabfall. Da bleiben noch 2.3 V als High-Pegel. Stefan ⛄ F. schrieb: > Gegen direkte Blitzeinschläge gibt es keinen wirksamen Schutz für > derartige Fein-Elektronik. Nun ja, andere „Feinelektronik”-Geräte werden ja auch nach nach dem ESD-Standard getestet und kommen durch. Irgendwie scheint es ja schon zu gehen :)
Hi, ich geh mal mit der groben Kelle durch. Ganz außen würde ich sehr spannungsfeste Kondensatoren mit niedriger Kapazität machen. Intuitiv würde ich sie nach PE machen. Das leitet zwar eher Störungen ab, aber sehr kurz Impulse werden so auch schon mal gestuzt. Dann würde ich nach einer passenden Induktivität (ferrite bead) schauen. Dann kämen die TVS-Dioden mit Kondensatoren. Kurze, zu hohe Spannungen sollen dann erst in den Kondensator und quasi dann erst über die Leitung zum empfindlichen Chip. Die Energie in den 8kV Impulsen ist ja nicht so groß, dass sich alle Kondensatoren direkt auf 5V aufladen. Vielleicht könnte man dann noch eine Induktivität(ferrite bead) zum IO-Pin machen. Gruß Daniel
rasz schrieb: > Brauche ich, zum Schutz > von D2 vor Überstrom, noch einen Widerstand? Ich habe den Schutzwiderstand in R3 und R4 aufgeteilt. R3 (SMD 2512) mit 2k2 vor der Zenerdiode und R4 (SMD 0805) mit 2k2 nach der Zenerdiode. Den großen Kondensator 2,2uF kann ich mir leisten, da keine hohen Geschwindigkeitsanforderungen bestehen. In der aktuellen Version ist statt dem Elko ein Mehrschichtkondensator (SMD 0805)eingesetzt. Als Zenerdiode habe ich eine mit 5,6V in Verwendung. Diese hat eine steiler Kennlinie und brauch wesentlich weniger Strom bei 3,3V als eine 3,3V Zenerdiode. R4 sorgt, dass bei auf 5,6V geklemmter Eingangspannung der zulässige Eingangsstrom nicht überschritten wird.
Diode current at any device pin ±2 mA
rasz schrieb: > Was meinst du, hast du ein Beispiel? Suche mal nach "SPS". Ich meine aber nicht nur SPS, sondern ähnliche Produkte die es bei den gleichen Händlern gibt. Mir fällt spontan kein konkretes ein, weil damit als Hobbybastler nicht viel anfangen kann.
Michael schrieb: > Wo hast du die Halter für die Mignonzellen her? Keystone 92 Einzelkontakt 1x Mignon (AA), A, CR 2 Durchsteckmontage THT (B x H) 12 mm x 15 mm https://www.mouser.at/ProductDetail/Keystone-Electronics/92?qs=ygfPscbNso0jAAuAf2q8Lg%3D%3D oder https://www.conrad.at/de/p/keystone-92-einzelkontakt-1x-mignon-aa-a-cr-2-durchsteckmontage-tht-b-x-h-12-mm-x-15-mm-651036.html Gibt es auch in SMD Ausführung, bin aber wegen der Festigkeit bei THT geblieben. Gibr es auch für AAA und größere Zellen. Sehr guter Kontakt und ist vor allem robust gegen auslaufende Batterien. Es werden zwei dieser Clips für eine Batterie benötigt.
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