Jak spolehlivě (ne)zničit Vaše Arduino

Dříve, než si začnete hrát s moduly platformy Arduino, věnujte pozornost následujícím řádkům :

Jak vývojové desky platformy Arduino, tak většina z periferních modulů je osazena citlivými polovodičovými obvody, které můžete nevhodnou či neopatrnou manipulací zničit. Abyste se vyhnuli zklamání, je vhodné dodržovat několik základních pravidel:

Ochrana proti elektrostatickému výboji (ESD protection)

ESD logo, public domain
ESD logo, public domain

Elektrostatický výboj (ElectroStatic Discharge) je definován jako přenos elektrického náboje mezi tělesy s různými napěťovými potenciály. Elektrostatický náboj vzniká na předmětech – ať už na povrchu lidského těla nebo na elektronických součástkách – při jakémkoli pohybu či manipulaci. Za normálních okolností se náboj opakovaně vybíjí při dotyku s jiným, alespoň částečně vodivým předmětem. Pokud však dojde při běžné manipulaci, zkoušení či přenášení k vybití elektrostatického náboje přes citlivé elektronické obvody, může dojít k jejich poškození, které se bude projevovat náhodnými výpadky funkce či „podivným“ chováním, nebo (častěji) k jejich úplnému zničení.

Většina současných integrovaných obvodů má ve své struktuře integrovány prvky pro ochranu proti ESD (ochranné diody na vstupních pinech), tato ochrana ale rozhodně není všemocná.Velikost elektrostatického napětí, které může poškodit či zničit elektronické obvody, se pohybuje od několika set voltů (výkonové MosFET tranzistory, starší MOS VLSI obvody), přes hodnoty okolo 1.000 voltů (většina současných IO) až do cca 5.000 – 10.000 V (bipolární tranzistory, rezistory); člověk je přitom schopen pocítit elektrostatický výboj, jehož velikost dosahuje nejméně 2.000 – 4.000 V. Je tedy zřejmé, že zničení součástky elektrostatickým výbojem nemusíte při běžné manipulaci vůbec zaregistrovat (ve všech uvedených případech se jedná o velikost napětí na tzv. modelu lidského těla, které reprezentuje kondenzátor o velikosti 100 pF, vybíjený do testované součástky přes odpor 1,5 kΩ).

V průmyslovém prostředí tvoří ochranná opatření proti vzniku ESD ucelený, propracovaný a certifikovaný systém (vodivé podlahy a pracovní plochy, vodivé ochranné oděvy, uzemňování pracovníků a nářadí vodivými náramky, ionizace a zvlhčování vzduchu, důsledné používání antistatických obalů a pod.), který je v domácích podmínkách obtížné zavádět. K ochraně součástek citlivých na ESD však výrazně přispěje i dodržování několika základních pravidel:

  • uchovávání součástek citlivých na ESD v ochranném antistatickém obalu (tmavé pokovené sáčky, sáčky z černého plastu, růžové plastové sáčky), zkratování vývodů vodivým (černým) pěnovým materiálem, v nouzi zkratování vývodů hliníkovou fólií (Alobal)
  • absolutní zákaz práce a manipulace s výrobky v oblečení z umělých vláken!!
  • zákaz práce na koberci z umělých vláken, nepoužívání ochranné skleněné desky na pracovním stole
  • před každou manipulací se součástkami či moduly se nejprve dotkněte zemnící svorky, zemnícího pinu, napájecího konektoru a pod.
  • v případě rozsáhlejší práce zvažte pořízení zemnícího náramku a uzemnitelné ESD pracovní plochy (zcela postačí zbytek antistatického linolea s přinýtovaným zemnícím konektorem).

Jen pro úplnost uvádíme, že v případě manipulace s ryze mechanickými prvky (tlačítka, spínače, klávesnice, mechanické pohybové senzory a otřesová čidla, snímače hladiny kapaliny a pod.) je možnost poškození součástek ESD výbojem prakticky nulová.

Ochrana proti hlouposti

wizzpig666.deviantart.com
wizzpig666.deviantart.com

Nejčastější příčinou poškození modulů systému Arduino je ovšem hloupost, zbrklost a nedostatek uvažování :) – převedeno do technické terminologie, překročení „Mezních elektrických hodnot / Absolute maximum ratings“, uvedených v technické dokumentaci (datasheetu) daného obvodu, které většinou vede k poškození elektronických obvodů. Jako příklad překročení mezních parametrů uvádíme pro Arduino Uno:

  • skladování při teplotách pod -65 °C nebo nad +150 °C (dobře, souhlasím, že v Evropě k tomu asi běžně nedojde :) ;
  • provoz při teplotách pod -55 °C nebo nad +125 °C;
  • připojení kteréhokoli pinu procesoru na napětí pod -0,5 V, nad +5,5 V (při napájení +5,0 V) nebo nad Vcc +0,5 V, pokud je deska napájena napětím nižším než +5,0 V (velikost napětí se ve všech případech vztahuje k zemnícímu pinu GND). Přepětí či podpětí zničí ESD ochranné diody na V/V pinech procesoru a následně jak procesor, tak ostatní obvody na vývojové desce);
  • překročení výstupního proudu kteréhokoli pinu v režimu OUTPUT nad 40 mA (např. nastavením výstupu na úroveň HIGH a jeho následné zkratování na zem nebo na jiný výstup nastavený na LOW). To samé platí i pro připojení zátěže s odběrem nad 40 mA, např. při připojení LED diody, 7-segmentového displeje či relé na výstupní pin procesoru bez omezovacího rezistoru. Výsledkem bude poškození daného pinu ve funkci OUTPUT – pokud budete mít štěstí, možná jej bude ještě možno použít jako vstupní pin;
  • překročení celkového výstupního proudu všech pinů v režimu OUTPUT nad 200 mA;
  • překročení napájecího napětí Vcc nad +6,0 V (např. přivedením napětí > +6,0 V na pin +5V vývojové desky, který je připojen bez dalších ochranných obvodů přímo k mikrokontroléru ATmega328);
  • připojení napájecího napětí na pin Vin vývojové desky v opačné polaritě (ochranná dioda na ochranu proti přepólování napájecího napětí chrání pouze napájecí konektor 5,5 mm; pin Vin je zapojen až za tuto ochranou diodu přímo na stabilizátor napájecího napětí +5V. Připojení napětí na pin Vin v opačné polaritě vede ke zničení stabilizátoru +5,0 V a následně i procesoru);
  • připojení napětí > 3,6 V na pin +3.3V (pravděpodobně dojde ke zničení periferních zařízení napájených napětím 3,3 V z tohoto zdroje. Pokud napětí přesáhne +8,0 V, dojde i ke zničení stabilizátoru +3,3 V na desce procesoru);
  • odběr proudu z napájecího konektoru 5,5 mm nebo z pinu Vin, případně jejich zkratování na zem, pokud je deska napájena z pinu +5V (v takovém případě dojde k přepólování stabilizátoru napětí +5,0 V, který má na výstupu větší napětí než na vstupu; tento stav povede k jeho zničení).

Takže tak :)

Přeji příjemné hraní pod elektrostatickou ochranou a s rozmyslem :)

Leave a Reply