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E-Field Detector - Einleitung


Elektrostatische Felder detektieren

Beim "E-Field Detector" handelt es sich um eine Elektronik mit der sich Elektrostatische Felder detektieren lassen. Elektrostatische Felder entstehen auf Isolatoren, also Materialien die nicht, bzw. sehr schlecht elektrisch leitfähig sind. Solche Materialien sind z. B. Glas, Porzellan, Wolle, Leder, Polyester und PVC. Weil diese Stoffe die Elektronen nicht ableiten können, haften diese "statisch" auf ihrer Oberfläche. Mangelt es einem Material an Elektronen, ist es positiv geladen. Existiert ein Überschuss an Elektronen, ist es negativ aufgeladen. Das Aufladen kann durch Reibung oder Trennung erzeugt werden. Werden zwei Materialien von einander getrennt oder aneinander gerieben, entsteht eine Ladungstrennung. Durch eine statische Ladung entstehen Elektrostatische Felder, die mit dieser Elektronik angezeigt werden können.

Elektrostatische Felder können zu ESD-Entladungen führen. ESD-Entladungen sind in der Elektronik unerwünscht, denn solch ein Funkenschlag kann ein Bauelement zerstören. Deswegen werden Mitarbeiter in der Elektronikindustrie mit einem Handgelenkband geerdet. Die Kleidung und die Umgebung müssen elektrisch ableitend sein. Elektrisch ableitend bedeutet, dass sich eine Aufladung kontrolliert abbauen kann. Empfohlene Ableitwiderstände liegen im Bereich von 750 kOhm bis etwa 10 GOhm. Somit kann sich eine Aufladung nicht statisch halten, bzw. nicht schlagartig entladen. Ich habe diesen "E-Field Detector" gebaut, um in meinen Schulungen als ESD-Beauftragter zu zeigen, dass solche statischen Felder existieren und ohne Probleme Distanzen von über einen Meter überbrücken können. Diese Schaltung versinnbildlicht auch das Prinzip der Influenz, also den Einfluss eines Elektrostatischen Feldes auf andere Körper.


E-Field Detector zum Detektieren von elektrostatischen Feldern
(auf das Bild klicken um es zu vergrößern)

Die Elektronik bietet folgende Features:

  • Prozessor ATNINY45-20, getaktet mit 8 MHz, über Standard ISP-Steckverbinder programmierbar
  • 9 helle RGB-LEDs zur optischen Anzeige der Ladung
Hier ein kleines Video als Vorschau, welches die Funktion der Schaltung demonstriert:

Flash Video "E-Field Detector"

E-Field Detector - Funktion & Schaltplan


Beschreibung

Die Elektronik detektiert elektrostatische Ladungen über die beiden J-FET Transistoren V110 und V120. Es handelt sich hierbei um einen N J-FET und einen P J-FET. Auf diese Weise kann zwischen positiven und negativen Feldern unterschieden werden. R110 und R120 sind mit 1 MOhm bemessen um die Gates der J-FETs zu schützen, denn ein ESD-Event könnte die J-FETs zerstören. R111 und R121 sind Pull-Up, bzw. Pull-Down Widerstände am jeweiligen Drain des J-FETs. Über diese Widerstände bildet sich eine Spannung zwischen 0V - 5V bzw. 5V - 0V ab, die mit der ATTINY-CPU gemessen werden kann. Eine kleine Software wertet diese Spannungen aus und zeigt diese effektvoll auf den 9 RGB-LEDs an. Positive und negative Ladungen werden mit unterschiedlichem Licht symbolisiert. Rotes Licht steht für negative Ladung (hohes Aufkommen an Elektronen). Blaues Licht steht für positive Ladung (Mangel an Elektronen). Die Schaltung benötigt eine Spannungsversorgung ab 7,5 Volt DC. Der Spannungsregler V300 regelt die Spannung auf 5 Volt herab. Für den korrekten Betrieb muss die Schaltung geerdet sein, dass heißt Masse muss mit der Erde verbunden werden. Ich habe die Schaltung über Metallfüße auf eine Metallplatte geschraubt. Dies schottet die Schaltung vor unmittelbaren störenden Feldern ab. Die Fläche der Gate-Anschlüsse A1 und A2 habe ich jeweils mit einer 4mm Bananenbuchse "vergrößert". Damit eine Ladung am Gate-Anschluss die Möglichkeit hat sich kontrolliert abbauen zu können, habe ich eine Leitung in Form einer 8 um die beiden Gates gewickelt und auf Masse gelegt.


E-Field Detector Schaltplan
(auf das Bild klicken um es zu vergrößern)

Schaltplan

Download Schaltplan als PDF-Datei.
E-Field_Detector_Schematic.pdf

E-Field Detector - Hardware


Layout

Die Leiterplatte besteht aus einen zweiseitigem Layout. Die Elektronik ist beidseitig bestückt. Das Layout wurde mit dem Programm Eagle erstellt. Viele Leiterplattenhersteller unterstützen das Board-Format, welches von der Eagle-Software erzeugt wird. Das Board-File (.brd) kann ohne weitere Anpassungen für eine Leiterplattenfertigung verwendet werden.


E-Field Detector Eagle-Layout

Eagle Board-File

Download Eagle Board-File (.brd) für die Fertigung einer E-Field Detector Leiterplatte.
ACHTUNG: Das Fertigen von Leiterplatten in geringen Stückzahlen kostet entsprechend Geld.
Ich übernehme keine Gewähr für die Richtigkeit und Funktion der angegebenen Fertigungsdaten!
E-Field_Detector.brd

Bestückungspläne

Download der Bestückungspläne als PDF-Datei:
E-Field_Detector_Component_Placement_T.pdf (Vorderseite)
E-Field_Detector_Component_Placement_B.pdf (Rückseite)

Materialliste

Diese Materialliste ist ein Vorschlag. Für einige Bauteile können Alternativen eingesetzt werden.

Bauteil                     Menge   Bezeichnung                  Distributor   Artikel-Nr.
C1-C9,C300,C301             11x     100nF / 1206                 segor.de      u10-1206-X7R/100V
C302                         1x     22µF / SMC_B                 segor.de      TA22u-16B SMD
D100                         1x     ATTINY45-20                  segor.de      ATtiny 45-20PU
LED1-LED9                    9x     WS2812B                      ebay.de       WS2812B
R100                         1x     10K / 1206                   segor.de      10k-1206-1%
R110,R120                    2x     1M / 1206                    segor.de      1M0-1206-1%
R111,R121                    2x     100K / 1206                  segor.de      100k-1206-1%
V110                         1x     2N5458 NJFET TO92            segor.de      2N 5458
V120                         1x     2N5461 PJFET TO92            segor.de      2N 5461
V300                         1x     7805T / TO220H               segor.de      7805
X100                         1x     ISP Stiftleiste 2x3-polig    segor.de      SL2x 3-180G
X300                         1x     DC-Buchse MJ-179PH           hbe-shop.de   1737246
		

Fertiger Aufbau

Das Bild zeigt den fertigen Aufbau einer E-Field Detector Schaltung. Ein Steckernetzgerät mit einer Spannung von 7,5V ist direkt angesteckt. Die Masse vom Steckernetzgerät liegt auf Erde, wie es bei PC-Netzteilen der Fall ist. Wird ein galvanisch getrenntes Netzteil benutzt, so muss die Erde manuell auf Masse gelegt werden, zum Beispiel durch einen typischen ESD-Erdungsanschluss.


Fertiger Aufbau vom E-Field Detector

E-Field Detector - Firmware


ATTINY programmieren

Der ATTINY muss mit einer Firmware bespielt werden. Zum Programmieren der Firmware wird ein In System AVR-ISP-Programmer benötigt. Des weiteren müssen die Fuses gesetzt werden. Bei den Fuses handelt es sich um grundsätzliche Einstellungen der CPU. Es wird unter anderen festgelegt, mit welcher Taktfrequenz die CPU arbeiten soll. Gegenüber den Grundeinstellungen wird der Teiler durch 8 abgewählt, damit die CPU mit 8 Mhz arbeitet. Zum Programmieren des Flashs reicht es aus die main.hex auszuwählen und dann ins Flash zu schreiben.

Firmware

Download der Firmware inklusive Source- Code.
E-Field_Detector_Firmware.zip