ESD-geschützter PingPong-Adapter

von Peter Krüger                      
Elektronik-Labor   Projekte   AVR 



Beim Anschluss der Ping-Pong-HW über Laptops, mit Stromversorgung und einem zweipoligem AC-Eingang kam es zu ESD-Problemen (Siehe Labortagebuch: ESD-Gefahr durch Laptop-Netzteile). Die meisten dieser Stromversorgungen sind aus EMV-Gründen zwischen dem primären AC-Eingang und dem sekundären DC-Laptop-Ausgang mit einem Kondensator überbrückt. Dieser Kondensator kann nach meinen Messungen nach eine Kapazität von 1 nF bis 10 nF besitzen. Überprüft wurden von mir Stromversorgungen unterschiedlicher Hersteller, wie MEDION, AKOYA, HP und SONY. Bei dem Netbook-Schaltnetzteil „AKOYA-1212“ wurden nur 70 pF gemessen, wahrscheinlich die Streukapazitäten zwischen der primär- und sekundären Wicklung des Schalttransformers. Ob eine AC-Kopplung besteht, kann durch einen Spannungsprüfer mit Glimmlampe geprüft werden. Spannungsprüfer mit eingeschalteten Laptop an eine blanke Stelle wie USB-Buchsengehäuse oder serielle Schnittstelle halten. Wenn der Spannungsprüfer glimmt, ist eine AC-Wechselspannung an dem Gehäuse des Laptop vorhanden!

Transienten & Überspannungsentladung
Die maximale AC-Scheitelspannung von 220 V-RMS = (Wurzel aus 2) * AC-Eingangspannung, = 1,41 * 220 V = 310 V Scheitelspannung. Nach DIN VDE geht man von einem menschlichen Hand zu Fuß zu Erde Entladungswiderstand von 1 kOhm (human body resistance) aus. Maximaler Entladungsstromstoss: I = U/R = 310 V / 1 k = 310 mA. Die maximale Zeitdauer der anstehenden 310 V Spannungsspitze ist etwas kleiner als 1 µs.Dieser Stromstoss kann sich über den seriellen PC-Port, dem seriellen Anschluss des Ping-Pong-Programmieradapters und die ungeschützte nackte MISO-Port-Signalleitung in die MOS-Struktur des ATM8-uController entladen. Auf diese Weise habe ich zwei Ping-Pong-Boards geschossen!

Der serielle Laptop PC-Port hat intern eingebaute ESD-Schutzfunktionen, die in der Regel eine Entladung bis 15 kV über die theoretische human body resistance von etwa 1 kOhm aushalten.

Die ATM8-MCU  hat lediglich als Überspannungsschutz der I/O-Ports eine pro Port von VCC und GND geschaltete bipolare Schutzdioden eingebaut. Bipolare Dioden brauchen je nach Hersteller eine gewisse Einschaltzeit im ps bis us Bereich um voll leitend zu werden. Die MOS I/O-Ports besitzen ein Eingangskapazität von etwa 10 pF. Bei ungeschützten nackten Eingängen werden die I/O-Ports durch schnelle Überspannungstransienten geschossen. Es sollten immer vor Inbetriebnahme einer neuen, noch unbekannten uController-Chip die im Datenblatt unter „Electrical-Caracteristics, Absolute Maximum Ratings“ angegebenen Informationen gelesen und auch in der Umsetzung der entspr. Hardwareentwicklung umgesetzt/eingehalten werden!

Bei externen DC-Einspeisung von >2 uA in die I/O-Port’s erreichen die internen Schutzdioden bereits eine Vorwärtsspannung von >500 mV. Das heißt: Dieser uController hat keinerlei ESD-Schutzfunktionen eingebaut und ist nicht für direkte Ansteuerungen mit der Außenwelt geeignet, sondern nur für Bestückungsarbeiten auf Platinen ausgelegt. Für Anwendungen mit der I/O-Welt müssen Interface-IC mit eingebauter I/O-ESD Schutzbeschaltungen verwendet werden. Dieses betrifft übrigens alle uController ohne entsprechenden ESD-Schutzfunktionshinweis in dem Datenblatt.

Wichtiger Hinweis für Elektronikbastler und Hardware-Profis, sollte auf keinem Arbeitsplatz fehlen: Als ausgezeichnete Arbeitsunterlage mit eingebautem ESD-Schutz, eignet sich eine schwarze Gummiunterlage aus dem Baumarkt. Größe 1 m * 0,5 m, Dicke etwa 2mm. Diese Art schwarze Färbung besteht überwiegend aus Kohlestaub und hat über eine Länge von etwa 1cm einen ohmschen Widerstand von ein paar kOhm. Bei der Auswahl im Baumarkt einen DVM mitnehmen und vor Ort die Messung auf Leitfähigkeit durchführen. Die Gummimatte auf dem Arbeitsplatz muss über eine Krokodilklemme mit der Erde z.B. Heizkörper oder Wasserleitung verbunden sein. Bei Arbeiten mit MOS-Baugruppen oder MOSBauelementen zuerst die Handballen auf die Gummimatte auflegen, um evt. vorhandene Körperstatik gegen Erde abzuleiten. Synthetisch schwarz gefärbter Gummi besitzt keine Leitfähigkeit.



An dem seriellen STK500-RS232 Programmier-Bord wurde aus bekannten Gründen ein erheblicher Aufwand in punkto ESDSchutz betrieben:



Serielle Schnittstellenwandler
Die kommerziellen, seriellen Schnittstellenwandler-IC wie MAX202 benötigt eine 5-V-Versorgungsspannung. Der Stromverbrauch ist durch die eingebaute Ladungspumpe mit einem Dauerstrom von etwa 20 mA für eine evt. Anwendung im Batteriebetrieb hoch. Aus diesen Gründen ziehe ich den seriellen RS232/ISP Adapter von Burkhard Kainka vor, gefällt mir wegen seiner Schlichtheit und dem geringen Stromverbrauch bedeutend besser. Siehe nachfolgende Schaltung: RS323-ISP-Adapter:



Die nackte MISO-Datenleitung wurde über den Transistor (T1) entkoppelt, die anderen Datenleitungen durch ESDSchutzfunktionsschaltungen erweitert. Die Adapter können am schnellsten auf VERO-Board aufgebaut werden. Mit diesem umgebauten Adapter und dem seriellen Verlängerungskabel/Länge etwa 2 m (aus dem Lernpaket „Mikrokontroller mit dem TINY-13), dauert der download der PingPong3.hex Datei (8 KB) mit 38400 BAUD etwa 20 s.

Übrigens hat die T13-Platine aus dem „Lernpaket „Mikrokontroller mit dem TINY-13“ einen 1-k-Widerstand zwischen CTS/RXD und dem PB1-Port eingebaut und damit wahrscheinlich bisher den ESD-Tod des T13 verhindert.




Dieser Artike und  Zusatzinformationen als PDF: Ping-Pong_serielle_Interface-Adapter_V3.pdf



Hinweise zum Platinenlayout: Ping-Pong_Interface-Board-PCB_V1.pdf

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