Statik elektrik yüklü ortamlarda Butonlu devre tasarımı

[MrThinking]

İnsanların statik elektrikle oldukça fazla yuklenebildigi bir ortamda çalışacak bir devre tasarladım ve bu devrede oldukça fazla buton var. Butonlar işlemci pinlerine arada bir entegre olmadan 1megaohm direncle direk bağlı ve işlemci pinini gnd ye çekiyorlar.
Devre gayet başarılı çalışıyor.
Fakat ortamdaki statik elektrikle yüklenmis biri tuşlardan birine dokunduğu anda işlemcinin o pini veya işlemci zarar görüyor.
Gerekli topraklama ve izolasyon yapıldı ama yinede bazen bu sorun oluşuyor.
Elektronik devre tasarımlarında  statik elektrik yüklü kullanıcılar nedeniyle devrenin arızalanması için tasarlanmış farklı bir buton kullanımı topoloji varmıdır.

[CLR]

Şema vermediğin için 1Mohm'u nereye yerleştirdin anlamadım ama işlemci pinine seri bir direnç + ESD diyotu (TVS'de olur) ile kolayca sorun çözülür. Direnç akım limitleme içindir. ESD diyotunun tepki süresi çok hızlı olduğu için voltaj, işlemciyi bozacak seviye yükselmeden devreye girip limitler. 3V3 veya 5V hangisi ile çalışıyorsan ona uygun malzemeler kullan.

[MrThinking]

Şema vermediğin için 1Mohm'u nereye yerleştirdin anlamadım ama işlemci pinine seri bir direnç + ESD diyotu (TVS'de olur) ile kolayca sorun çözülür. Direnç akım limitleme içindir. ESD diyotunun tepsi süresi çok hızlı olduğu için voltaj, işlemciyi bozacak seviye yükselmeden devreye girip limitler. 3V3 veya 5V hangisi ile çalışıyorsan ona uygun malzemeler kullan.

Cevabınız için teşekkür ederim:
Şema aşağıdadır.

[kimlenbu]

Optocoupler kullanabilirsin, tvs+direnç de olur, bulabilirsen otomotiv sektöründe kullanılan ISO1212DBQ var, izole beslemen varsa en sağlam çözüm olur.

[z]

1M direnc kullaniyorsan islemci tarafindaki girislerden saseye  100p...100n araliginda kapasitor baglamayi deneyebilirsin.

[MrThinking]

1M direnc kullaniyorsan islemci tarafindaki girislerden saseye  100p...100n araliginda kapasitor baglamayi deneyebilirsin.

Bunu 100nf 0603 kılıf smd kapasitörlerle yaptım. 1M dirençlerin buton tarafına yaptım. Sorunu daha da azalttı. Ancak bu sefer de statik elektrik nedeniyle 100nf kapasitörler kısa devre oluyor.
Kapasitörleri 1M dirençlerden sonra kullanmam daha mı iyi olur. Bu seferde 1M dirençleri arızalanır mı?

[muhendisbey]

CLR'nin dediğine ek olarak PCB üzerine spark gap çizebilirsin.

[CLR]

Cevabınız için teşekkür ederim:
Şema aşağıdadır.

Bence devrede şuan iki adet problem var.
1) seri 1Mohm çok iddaalı bir direnç olmuş, işlemcinin port giriş empedansı ne kadar yüksek olsada , işlemci pininde gerilim bölücü gibi davranır ve pin 3V5'i görmez. Şöyle ki: Mesela işlemci pinini giriş yaptın ve yüksek empedans
Port empedansı 1Mohm varsayalım pin voltajı 3V5*1Mohm/(1Mohm+1Mohm+100K) = 1.66Volt (bu TTL uyumlu port için belirsiz bölgede)
Port empedansı 1.5Mohm ise pin voltajı 3V5*1.5Mohm/(1.5Mohm+1Mohm+100K) = 2Volt (tam sınırda)
Port empedansı 1.5Mohm'dan yüksek olmalı ki doğru lojik seviyeleri okuyabilesin

2) Port empedansı yüksek ise bile bu yapıda pull-up weak(zayıf) olmuş, kolayca bir elektromanyetik interferans ile port low olabilir ve tuş basılmış gibi algılanabilir. Çünkü portu low yapmak için 3.5V/1.1Mohm = 3uA akım aktırabilecek bir enerji yeterli

Benim tavsiyem, 1Mohm yerine 10K-47K, sonrasında sinyal GND'sine karşı ESD diyotu (tek yönlü olanlardan ama çünkü statik voltaj, pozitif veya negatif yüklü olabilir, Pozitif yüklüyse 3V3'te negaytif yüklüyse portu -0.7V'ta limitlemesi için).

[MrThinking]

1) seri 1Mohm çok iddaalı bir direnç olmuş, işlemcinin port giriş empedansı ne kadar yüksek olsada , işlemci pininde gerilim bölücü gibi davranır ve pin 3V5'i görmez. Şöyle ki: Mesela işlemci pinini giriş yaptın ve yüksek empedans
Port empedansı 1Mohm varsayalım pin voltajı 3V5*1Mohm/(1Mohm+1Mohm+100K) = 1.66Volt (bu TTL uyumlu port için belirsiz bölgede)
Port empedansı 1.5Mohm ise pin voltajı 3V5*1.5Mohm/(1.5Mohm+1Mohm+100K) = 2Volt (tam sınırda)
Port empedansı 1.5Mohm'dan yüksek olmalı ki doğru lojik seviyeleri okuyabilesin

Bu hesaba göre devre enerjilendiğinde ve pinin giriş yaptığımda benim port empedanslarım 80 Megaohm olmalı ki tam +3.45volt alabiliyorum.
Devrede enerji yokken 1Mohm dirençleri tek tek ölçtüğümde hepsi 600Kohm gösteriyor.
İşlemcinin datashettinde ise giriş voltajları ile ilgili şu bilgiler yer alıyor;

2) Port empedansı yüksek ise bile bu yapıda pull-up weak(zayıf) olmuş, kolayca bir elektromanyetik interferans ile port low olabilir ve tuş basılmış gibi algılanabilir. Çünkü portu low yapmak için 3.5V/1.1Mohm = 3uA akım aktırabilecek bir enerji yeterli

Bu dediğiniz ise doğru bu sorunu bazen de olsa yaşıyorum. Örneğin pcb nin dirençlere giden uzun yollarına elimi yaklaştırdığımda bazı bölgelerde tuşun lowa düştüğünü anlıyorum. Çünkü tuş basıldığında bir bip sesi oluşuyor. Bu bip sesinden anlıyorum.
Fakat bu kadar hassas bir buton sistemine gerçekte ihtiyacım var. Çünkü butonlarım ped buton ve iletken gümüş mürekkepten yapılma yolları var ve çok az akım geçirebilme özellikleri var.

Tüm bu bilgiler ışığında yeni yorumunuz ne olur?

[CLR]

Bu hesaba göre devre enerjilendiğinde ve pinin giriş yaptığımda benim port empedanslarım 80 Megaohm olmalı ki tam +3.45volt alabiliyorum.
Devrede enerji yokken 1Mohm dirençleri tek tek ölçtüğümde hepsi 600Kohm gösteriyor.
İşlemcinin datashettinde ise giriş voltajları ile ilgili şu bilgiler yer alıyor;


Bu dediğiniz ise doğru bu sorunu bazen de olsa yaşıyorum. Örneğin pcb nin dirençlere giden uzun yollarına elimi yaklaştırdığımda bazı bölgelerde tuşun lowa düştüğünü anlıyorum. Çünkü tuş basıldığında bir bip sesi oluşuyor. Bu bip sesinden anlıyorum.
Fakat bu kadar hassas bir buton sistemine gerçekte ihtiyacım var. Çünkü butonlarım ped buton ve iletken gümüş mürekkepten yapılma yolları var ve çok az akım geçirebilme özellikleri var.

Tüm bu bilgiler ışığında yeni yorumunuz ne olur?

Giriş yaptığında tam işlemci portundaki voltajı ölçmen lazım. Hangi işlemciyi kullanıyorsun bilmiyorum ama bir hatan olması lazım çünkü 80Mohm'luk giriş empedansı çok çok zor. Mesela stm32f103 serisine baktım port 3V3 ise maksimum 3.3Mohm oluyor okudum.

işlemciyi 3v ile besleseydin voltaj eşik değeri 1.9V oluyor(eklediğin resimde). VDD=3v3 yaptığında benim dediğim gibi yaklaşık 2V olur çünkü işlemcilerde portları genelde TTL uyumlu tasarlarlar. 

Membran ve/veya serigraf tipinde tuş takımından bahsediyorsun. Açıkçası onlar ile led bile sürüyorlar(en az 1-2mA). Sanırım, sen statik esnasında geçen akımdan korkuyorsun, Statik voltajın duty cycle'ı çok düşüktür, enerji olarak bakarsan çok düşük olur. Bu nedenle yolların bozulması çok zor olur. (Zaten kaypad üzerinden gelen statik voltaj işlemci tarafı yerine daha düşük dirençli yol olan 100K üzerinden besleme tarafına doğru akım akıtır veya VDD'den akım çeker) . Port tarafında seri direnci uygun olacak şekilde ayarla ama dediğim gibi direnç çok büyürse pull-up kolay al aşağı edilebilir.

[mehmet]

Neden 1M direnç kullandınız?

[MrThinking]

Neden 1M direnç kullandınız?

Çok yerinde bir soru?
Keypedi statik elektrik yükü ile veya daha düşük pullup dirençlerinin akım yükü ile yüklemek istemedim.
Ayrıca keypedin dokunmatik bir buton kadar hassas olmasını istedim.
Birde buton enerjileri için 5 voltluk bir beslemeden opamp ile +3.5 volt oluşturarak, yine aynı opampın B tarafı ile yapay gnd oluşturup asıl gnd den yalıtarak bir devre hazırladım. Yani statik elektriği işlemcinin beslemesinden de izole ettim.(Yukarıdaki  Şemada bunu çizmedim.)
Bu nedenle opamp bozulup  5 voltu işlemcinin pinlerine verse bile, akım azlığı nedeni ile girişleri bozmaması için 1 M direnç kullandım.
Bir kaç sebebi daha var. Fakat tüm bunlara rağmen statik elektrikten müzdaribim.

[MrThinking]

CLR'nin dediğine ek olarak PCB üzerine spark gap çizebilirsin.

Tek denemediğim yöntem bu. Başka bir buton topolojisi var mı bilmiyorum ama bu spark gap ı deneyeceğim.
Yine uzun vadede bir sonuç alacağım için size sonucu bildirmem uzun bir zaman alacak. Cevap veren herkese teşekkür ederim.
Bu arada atlamadan belirteyim; esd diyotu çift yönlülerden olan Bav99(A7W) ile denemiştim. Sonuç yine aynı.

[mozkan87]

https://tr.farnell.com/c/circuit-protection/gas-discharge-tubes-gdt

Yuarıda linkini verdiğim ürünleri deneyebilirsiniz. Belki pcb de smd olanları test etmeniz, yeni pcb ürettirmekten daha kolay olabilir.

Bunu 100nf 0603 kılıf smd kapasitörlerle yaptım. 1M dirençlerin buton tarafına yaptım. Sorunu daha da azalttı. Ancak bu sefer de statik elektrik nedeniyle 100nf kapasitörler kısa devre oluyor.
Kapasitörleri 1M dirençlerden sonra kullanmam daha mı iyi olur. Bu seferde 1M dirençleri arızalanır mı?

Önce direnç sonra kondansatör kullanırsanız kondansatörler arızalanmaz. Kondansatörler çok hızlı şarj olduğu için bozuluyordur. Birde mümkünse keypad in üzerini tek parça şeffaf silikon benzeri birşeyle kaplayıp deneyin.

[MrThinking]

https://tr.farnell.com/c/circuit-protection/gas-discharge-tubes-gdt

Yuarıda linkini verdiğim ürünleri deneyebilirsiniz. Belki pcb de smd olanları test etmeniz, yeni pcb ürettirmekten daha kolay olabilir.

Bunlar spark gap ın eleman haline getirilmesi gibi bir şey değil mi?