ESD-Guard - Einleitung

ESD- Testgerät zum Protokollieren von ESD- Ereignissen.

Der ESD-Guard detektiert elektrostatische Felder und elektrostatische Entladungen. Elektrostatische Felder und deren Entladung sind in der Elektronikindustrie unerwünscht, denn eine ESD- Entladung kann ein elektronisches Bauteil schädigen und zerstören. Deswegen werden Mitarbeiter in dieser Branche speziell geschult und mit entsprechenden Schutzmaßnahmen ausgestattet.

Dieses Gerät soll dabei helfen ESD- Probleme am Arbeitsplatz und in Fertigungsprozessen aufzudecken. Nach DIN EN 61340-5-1 - Norm wird eine Grenze statischer Aufladungen von maximal 100 Volt empfohlen. Der ESD-Guard zeichnet auftretende elektrostatische Felder größer als 100 Volt und deren eventuellen Entladungen auf. Die Daten werden im Gerät abgelegt und können direkt am PC mit einer speziellen Software oder über das Netzwerk mit einem Browser ausgewertet werden.

ESD-Guard Funktionsüberblick
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Die Funktionen des ESD-Guards im Überblick:

• (1) USB- Anschluss (Stromversorgung und Kommunikation mit dem PC)
• (2) 4mm Erdungsbuchse (zu verbinden mit einem ESD- Erdungspunkt)
• (3) Fühler zum Detektieren von elektrostatischen Feldern
• (4) Interne Antenne zum Detektieren von Blitzentladungen
• (5) Status- LEDs
• (6) Temperatur– und Feuchtesensor

ESD-Guard - Funktion & Schaltplan

Beschreibung

Die Versorgung der Schaltung erfolgt über eine USB-Einbaubuchse (X100). Somit lässt sich die Schaltung mit einem USB 2.0 Kabel (A-Stecker auf Mini B) direkt am PC oder einem USB-Ladegerät anschließen. Auf dem Board führt der USB-Steckverbinder an ein FTDI- Baustein (D100). Auf diese Weise wird die Schaltung Plug & Play, denn Windows erkennt diese Hardware beim Anstecken automatisch. Als Herzstück werkelt ein ESP8266-12 Modul mit dem ESP8266 Prozessor von Espressif (D210). Dieses Modul bietet verschiedene Eingänge und Ausgänge, einen ADC- Wandler und volle WiFi- Funktionalität. Um die Schaltung in den Programmier-Zustand zu setzen, muss der Jumper X210 im stromlosen Zustand gesteckt werden. Nach dem Power-Up ist die Schaltung dann bereit zum Bespielen. Nach dem Programmieren muss der Jumper wieder entfernt werden. Die Software wurde mit der Arduino IDE und der ESP8266 NodeMCU Erweiterung programmiert.

Die beiden J-FETs (V110 und V120) detektieren Statische Felder, welche mit dem internen ADC des ESP8266 gemessen werden. Eine Leiterplattenantenne ist auf den Empfang von 300 kHz ausgerichtet. Solch eine Radiowelle wird jedes mal bei einer Blitzentladung ausgesendet. Über einen Verstärkerbaustein (N200) kann das Signal mit dem ADC gemessen werden. Weil die CPU nur einen ADC zum Messen besitzt, wird mit dem Multiplexer (D250) zwischen verschiedenen zu messenden Spannung umgeschaltet. Das ESP8266-12 Modul benötigt eine Versorgungsspannung von 3,3 Volt. Diese Versorgungsspannung wird über den Linearregler LD1117S33 (N150) erzeugt. Der AM2302 Sensor, angeschlossen an X400, stellt Temperatur- und Feuchtemesswerte über ein One-Wire-Protokoll bereit.

ESD-Guard Schaltplan
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Schaltplan

Download Schaltplan als PDF-Datei.
ESD-Guard_Schematic.pdf

ESD-Guard - Hardware

Layout

Die Leiterplatte besteht aus einen zweiseitigem Layout mit Konturfräsung passend für das Hammond 1553 ABS-Gehäuse. 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.

ESD-Guard Leiterplatte
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Eagle Board-File

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

Bestückungspläne

Download der Bestückungspläne als PDF-Datei:
ESD-Guard_Component_Placement_T.pdf (Vorderseite)
ESD-Guard_Component_Placement_B.pdf (Rückseite)

Materialliste

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

Bauteil                     Menge   Bezeichnung                  Distributor   Artikel-Nr.

A1,2                        2       Abstandsbolzen M3x30mm       segor.de      M3x30 II
                                    2xInnengewinde				
C100,101,151,203,400        4       100nF / 1206                 segor.de      u10-1206-X7R/100V
C102,150                    2       47uF-20V Tantal D7343        segor.de      TA47u-20D SMD
C200                        1       270pF COG/NPO 5% 63V 1206    segor.de      n27-1206-NPO
C201                        1       1uF 50V 10% X7R 1206         segor.de      1u0-1206-X7R/ 50V
C202                        1       2,2nF X7R 10% 63V 1206       segor.de      2n2-1206-X7R
C204                        1       10uF-20V Tantal SMD B3528    segor.de      TA10u-20B SMD 
D100                        1       FT232RL / SSOP28             reichelt.de   FT 232 RL
D210                        1       ESP8266-12                   segor.de      WiFi-Modul (ESP-12F)
Stiftleiste für ESP8266-12  -       Stiftleiste (Teil)           segor.de      SL 1x40-180G/RM2,0
Fassung für ESP8266-12      -       Buchsenleiste (Teil)         segor.de      FL 1x40-180G/RM2,0
D250                        1       ADC124S101                   mouser.de     ADC124S101CIMM/NOPB
L200                        1       Chip-Induktivität, 1,0 mH    reichelt.de   L-1812AF 1,0M
N150                        1       LD1117S33 / SOT223           segor.de      LD 1117 S33
N200                        1       1W BTL Audio-Amp SO8         segor.de      TDA 7052 AT-SMD
R100,101                    2       330 Ohm 1% SMD 1206 TK100    segor.de      330R-1206-1%
R110,120                    2       1M Ohm 1% SMD 1206 TK100     segor.de      1M0-1206-1%
R111,121,202                3       22k Ohm 1% SMD 1206 TK100    segor.de      22k-1206-1%
R201                        1       56k Ohm 1% SMD 1206 TK100    segor.de      56k-1206-1%
R203                        1       300kOhm 1% SMD 1206 TK100    segor.de      300k-1206-1%
R210,215,216,217,250,251    6       10k Ohm 1% SMD 1206 TK100    segor.de      10k-1206-1%
R211,212,213,214            4       160 Ohm 1% SMD 1206 TK100    segor.de      160R-1206-1%
R400                        1       5,1kOhm 1% SMD1206 TK100     ssegor.de     5k1-1206-1%
V0,1                        2       LED blau / 1206              reichelt.de   LED EL 1206 BL
V110                        1       2N5458 NJFET TO92            mouser.de     2N 5458
V120                        1       2N5461 PJFET TO92            segor.de      2N 5461
V200                        1       Schottky 30V 0,15A SOD80     segor.de      LL 103 B
V211                        1       LED 5mm rot 630nm            segor.de      LED 5 rt/10cd-30°
V212                        1       LED 5mm blau 466nm           segor.de      LED 5 bl/8cd-30°
V213                        1       LED 5mm gelb 595nm           segor.de      LED 5 ge/20cd-6°
V214                        1       LED 5mm tiefgrün 505nm       segor.de      LED 5 gn/14cd-30°
X100                        1       MINI-USB B                   reichelt.de   LUM 2486-01
X210                        1       Stiftleiste 1x2pol 180°      segor.de      SL1x 2-180G
Jumper für X210             1       Jumper RM 2,54mm vergold.    segor.de      Jumper
X400                        -       Stiftl.1x40p 90° (Teil)      segor.de      SL1x40-90G
Sensor für X400             1       AM2320B Temp. / Humidity     ebay.de       AM2320B
Federleiste für X400        1       Federl.4pol 180° RM2,54      segor.de      FLLAB 1x 4-180G
Mechanik für Montage        6       Linsenschraube DIN 7985      hornbach.de   M 3,0 x 6,0
USB 2.0 Kabel               1       A Stecker auf Mini B         reichelt.de   DELOCK 82311
Erdungsanschluss            1       Polklemme 4mm, gelb          reichelt.de   PK 4 GE
Kunststoffgehäuse           1       1553 B, 117 x 79 x 24 mm     reichelt.de   1553BTBUBKBAT
Antistatikspray             1       Antistatik 100, 200 ml       reichelt.de   KONTAKT 222
                                    Zur Behandlung des
                                    Kunststoffgehäuses

Aufbau und Verdrahtung

Das ESP8266- Modul ist auf 2 mm Stift- / Buchsenleisten gesetzt, damit das Modul austauschbar bleibt. Die 30 mm Abstandsbolzen werden von unten mit 3 mm Linsenschrauben befestigt. Damit sich die statische Aufladung abbauen kann, wird ein isolierter Draht beginnend am Masse-Via angelötet, in einer Schlaufe 5x um die Abstandsbolzen gewickelt und am 2. Via wieder festgelötet. Der AM2302 Temperaturfühler / Feuchtefühler wird über Anschlussdrähte nach außen geführt. Um diesen steckbar zu gestalten, werden die Drähte an eine Buchsenleiste gelötet. Somit läßt sich der Sensor auf die 90° gewinkelte Stiftleiste stecken. Die 4 mm Polklemme für den Erdungsanschluss muss mechanisch so montiert werden, dass sie beim Einbau nicht in den Kunststoffboden drückt. Zum weiteren muss die Polklemme elektrisch mit dem banachbartem Masse-Via verbunden werden.

Das Gehäuse muss mechanisch bearbeitet werden. Es benötigt Löcher für die USB- Buchse, die Erdungsbuchse, den LEDs und die Abstandsbolzen. Das Kunststoffgehäuse selbst besteht nicht aus ESD leitfähigen Material. Deswegen ist es nötig das Gehäuse mit einem ESD- Spray zu behandeln.

Bohrhilfe

Download einer Bohrhilfe als PDF-Datei:
ESD-Guard_Bohrschablone.pdf

Bestückte ESD-Guard Leiterplatte im Hammond 1553 ABS-Gehäuse
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ESD-Guard - Firmware

ESD-Guard programmieren

Zum Aufspielen der Firmware wird der ESD-Guard mit einen USB-Kabel am PC angeschlossen. Auf dem PC muss die Programmierumgebung Arduino mit der Erweiterung ESP8266 NodeMCU installiert sein. Der ESD-Guard wird in den Programmiermodus gebracht, indem der Jumper beim Power-Up gesteckt bleibt. Der Source- Code kann nun mit der Arduino- Umgebung kompiliert und hochgeladen werden. Nach dem Programmieren muss der Jumper wieder entfernt werden.

Firmware

Download der Arduino Firmware für den ESP8266.
ESD-Guard_Firmware.zip

ESD-Guard - Software für Windows

ESD-Guard Software

Mit der Windows Software lässt sich der ESD-Guard leicht in Betrieb nehmen. Hierzu wird der ESD-Guard mit dem USB-Kabel am PC angeschlossen. Die Software ESD-Guard.exe lässt sich nach dem Entpacken des ZIP- Archives ohne Installation ausführen.

Windows Software "ESD-Guard"
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Die Software bietet folgende Features:

• Einrichten der Netzwerkverbindung
• Einrichten der NTP-Server für die Zeitsynchronisation
• Life-Anzeige der aktuellen Messdaten
• Datenlogger für Elektrostatische Felder und ESD- Events
• Webinterface

Bedienung der Windows Software

Als erstes muss sich die Software mit dem ESD-Guard verbinden. Dazu auf den Knopf HARDWARE ÖFFNEN klicken. Es öffnet sich ein Fenster, indem alle verfügbaren Geräte aufgelistet werden:

Windows Software "ESD-Guard" - Gerät auswählen

Im oberen Beispiel kann ein Gerät ausgewählt werden und mit Klicken auf AUSWÄHLEN geöffnet werden.

Der ESD-Guard benötigt eine Verbindung mit dem Internet. Nach dem Einschalten holt sich das Gerät automatisch die aktuelle Zeit von einen der voreingetragenen NTP- Server.

Zum Einrichten des Netzwerkes auf den Knopf NETZWERK EINRICHTEN klicken. Ein Fenster, das alle verfügbaren Funknetzwerke auflistet, öffnet sich:

Windows Software "ESD-Guard" - Funknetzwerke
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In der Auflistung der Funknetzwerke kann nun der passende Router ausgewählt werden. Eine Verbindung mit dem Netzwerk erfolgt als erstes immer über DHCP. Mit dem Pin- Symbol kann die IP- Adresse fest im Gerät hinterlegt werden. Im oberen Beispiel ist zu sehen, welche IP-Adresse, Gateway usw. vom verbundenen Router erteilt worden ist.

Der ESD-Guard kann nach dem Einrichten auch ohne PC betrieben werden. Ein Klick auf die Weltkugel, unter den IP- Adressen, öffnet den Standard Browser mit der vom ESD-Guard erzeugten Webseite. Um vollen Zugriff auf dieses Webinterface zu bekommen, wird die PIN benötigt, die in der Netzwerkeinrichtung definiert wird.

Funktionsbeschreibung

Aktuelle Ereignisse werden auf der Oberfläche der Software live dargestellt:

Windows Software "ESD-Guard" - ESD- Ereignisse

Die Intensität der statischen Felder und die Intensität einer Entladung werden über die breiten Balken dargestellt. Die Messwerte gelten jeweils für einen Abstand von 15 cm.

Die Dauer eines Ereignisses wird mit den dünnen Balken symbolisiert (siehe Bild). Je mehr sich der dünne Balken füllt, umso länger / intensiver hat ein Ereignis angestanden. Im Minutentakt wird diese Information in der Ereignisliste aufgenommen und die Anzeige der Dauer zurückgesetzt.

In der Ereignisliste wird für die Intensität eines Ereignisses eine Zahl zwischen 1-255 protokolliert. Eine 255 würde für die maximale Intensität in der Minute stehen.

Windows Software "ESD-Guard" - Beispiel der Ereignisaufzeichnung

Im Idealfall sollten in einer ESD- geschützen Umgebung keine Ereignisse auftreten. Jedes in der Aufzeichnung aufgenommene Ereignis stellt somit ein Problem dar, was aufzeigt, dass die empfohlene Maximalspannung von 100 Volt überschritten wurde.

Unabhängig von den ESD- Ereignissen wird einmal pro Stunde Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit gemessen und in der Ereignisaufzeichnung abgelegt. Die optimale relative Luftfeuchtigkeit für Produktionsumgebungen liegt bei 50% - 55%.

Der ESD-Guard kann maximal 240 Ereignisse aufzeichnen, danach werden ältere Einträge überschrieben.

Software Download

Download der Windows Software 'ESD-Guard'. Das ZIP-Archiv an einer beliebigen Stelle entpacken. Die Software kann ohne Installation direkt aus dem Verzeichnis gestartet werden.
ESD-Guard_V1_20_02_07.zip

ESD-Guard Webinterface

Der ESD-Guard bietet zusätzlich ein Webinterface. Über dieses Weinterface können alle relevanten Daten aus der Ferne abgerufen werden. Siehe Beispiel:

"ESD-Guard" - Webinterface

Dokumentation

Im Rahmen dieses Projektes habe ich auch eine Bedienungsanleitung für dieses Gerät geschrieben.

Bedienungsanleitung zum Download als PDF
ESD-Guard.pdf

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