ESD-Schutz bei Copper Mountain VNA (und anderen Geräten)

ESD-Schutz bei Copper Mountain VNA (und anderen Geräten)

Wertvolle Geräte vor ESD schützen

Einführung

Elektronische Bauteile haben charakteristische Toleranzen für die maximalen Spannungen und Ströme, die sie verkraften können. Werden diese überschritten, können sie fehlerhaft arbeiten oder gar zerstört werden. Dadurch werden auch die Geräte, in denen diese Bauteile eingesetzt sind, insgesamt dauerhaft beschädigt - darunter zum Beispiel teure Mess- und Prüfgeräte. Komponenten wie oberflächenmontierte Bauelemente (SMD) werden immer kleiner und empfindlicher, wobei ihre maximale Nennleistung sinkt. Beim Schaltungsentwurf haben Entwicklungsingenieure dies im Blick und legen ihre Designs entsprechend aus. Was sich jedoch nicht vermeiden lässt, ist das Risiko einer elektrostatischen Entladung (ESD/Electrostatic Discharge). ESD ist der Spannungsdurchschlag, den man an einem trockenen Tag bekommen kann, wenn man ein Metallobjekt berührt (umgangssprachlich "eine gewischt bekommen"). Ab ca. 3000 V wird die Entladung für den Menschen spürbar, ab ca. 5000 V wird die Entladung hörbar (z.B. "Knistern"), ab 10000 V kommt es zu sichtbaren Effekten wie Funken oder Blitzen. Obwohl die ESD-Effekte für Menschen harmlos sind, kann er für elektrische Geräte katastrophale Folgen haben - schon ab ca. 30 V können Halbleiter-Bauteile zerstört werden. Nun sind viele Messinstrumente, speziell auch die für die HF-Technik, oft recht hochpreisig. Es lohnt sich also, sich über die Ursachen elektrostatischer Entladungen Gedanken zu machen und sie nach Möglichkeit zu verhindern.

Was ist ESD?

ESD wird durch eine Ansammlung von Elektronen auf der Haut verursacht, die ein Ungleichgewicht der Ladungen zwischen der Haut und der Umgebung erzeugt. Sobald eine ausreichende Ladung entstanden ist, ist der Potenzialunterschied zwischen der Haut und Erde/Masse groß genug, damit die Elektronen in einem Lichtbogen zur Erde/Masse fliegen können. Dies ist derselbe Effekt wie bei einem Gewitter, nur dort mit mehr Ladung und einer größeren Entfernung für den Lichtbogen. Der Aufbau von Ladungen geschieht, wenn ein Material, das Elektronen aufnimmt, an einem Material reibt, das Elektronen verliert. So nimmt beispielsweise Gummi Elektronen auf, während Wolle und Nylon Elektronen abgeben, so dass Gummischuhe und Teppichböden ideal für den Aufbau statischer Aufladung sind. Die Kenntnis der Materialien, die die Voraussetzungen für elektrostatische Entladungen schaffen, kann dazu beitragen, diese zu verhindern.

Der Grund, warum ESD für den Menschen harmlos ist, liegt darin, dass die hier bei der Übertragung von Elektronen freigesetzte Energie zu gering ist. Unter Berücksichtigung des Ohm'schen Gesetzes kann bei einer Spannung von einigen tausend Volt am Körper und einem Hautwiderstand von einigen tausend Ohm ein Strom von einigen Ampere fließen. Dies ist für den Menschen nicht schädlich, da der Schock selbst nur wenige Nanosekunden dauert, so dass die insgesamt abgegebene Energie (Leistung*Zeit) nur einige Millijoule beträgt. Diese Menge ist weitaus geringer als die, die erforderlich ist, um Menschen zu verletzen, aber mehr als ausreichend, um kleine elektronische Bauelemente zu überlasten.

Beispiel:
Widerstand der menschlichen Haut = 1000 Ω
Spannung der statischen Ladung = 10.000 V
Leistung = U ✕ I = U ✕ U / R = 10.000 V² / 1000 Ω = 100 kW

ESD in den Geräten von Copper Mountain Technologies

Die Vektor-Netzwerk-Analysatoren von ▸Copper Mountain Technologies sind für den Empfang eines breiten Spektrums von Eingangsleistungen mit Dynamikbereichen von über 130 dB ausgelegt. In der Praxis können viele HF-Signale eine Leistung im Bereich von Mikrowatt oder weniger aufweisen. Um diese schwachen Signale zu erkennen, ist ein empfindlicher Detektorschaltkreis erforderlich, der jedoch nicht in der Lage ist, großen Leistungsmengen standzuhalten. Die Stromspitze einer elektrostatischen Entladung würde ausreichen, um den Empfänger in einem Copper Mountain VNA zu zerstören, so dass der VNA nicht mehr arbeiten könnte. In manchen Fällen brennt eine Komponente nicht vollständig durch, sondern es kommt zu einer Parameterverschiebung, wodurch sich ihre Eigenschaften dauerhaft verändern. In diesen Fällen kann es sein, dass ein VNA zwar noch zu funktionieren scheint, aber schlechte Messergebnisse liefert. Obwohl es prinzipiell nicht ratsam ist, irgendeinen Teil des VNA mit einer statischen Ladung zu berühren, sind vor allem die HF-Anschlüsse auf der Vorder- und Rückseite anfällig. Die Abbildungen 1 und 2 zeigen Beispiele für diese Anschlüsse an einem ▸Cobalt VNA. Eine elektrostatische Entladung am Außenleiter eines HF-Steckverbinders würde nur minimalen Schaden anrichten, da dieser mit der Erde verbunden ist, aber eine Entladung am Innenleiter wäre schädlich, da dieser direkt zu den HF-Empfängerschaltungen führt. Das Risiko geht über die Steckverbinder hinaus, wenn Kabel und Prüflinge an den VNA angeschlossen werden. Auch durch diese können elektrostatische Entladungen in den VNA hineingeleitet werden.

Abbildung 1: Die Cobalt VNA-Geräte haben mehrere freiliegende Stellen auf der Rückseite mit 4 HF-Anschlüssen und zusätzlichen direkten Empfängern

Abbildung 2: Auf der Rückseite der Cobalt VNA-Geräte befinden sich ebenfalls elektrostatisch entladungsgefährdete HF-Anschlüsse

Vermeiden elektrostatischer Entladungen

Wie beschrieben können elektrostatische Entladungen katastrophale Auswirkungen haben und irreversible Schäden an teuren Geräten verursachen. Daher ist es unerlässlich, Maßnahmen zur Vermeidung solcher Entladungen zu ergreifen. Ein wichtiger Prozess besteht darin, Laborumgebungen so einzurichten, dass die Bildung von Ladungen auf Kleidung und Haut verringert wird. Die Vermeidung von herkömmlichen Teppichböden verringert die Anzahl der Ladungen, die durch Reibung zwischen Boden und Schuhen übertragen werden können. Die Verwendung von Luftbefeuchtern, die die Luftfeuchtigkeit auf 40 - 60% halten, kann dazu führen, dass die Luft jegliche Aufladung vom Körper ableitet, wodurch die statische Aufladung insgesamt minimiert wird. Ein Luftfeuchtigkeitssensor kann hier nützlich sein, um die Luftfeuchtigkeit in einem Labor immer auf einem sicheren Niveau zu halten.

Neben der Einrichtung einer Laborumgebung, die elektrostatische Entladungen minimiert, kann man auch Maßnahmen ergreifen, um ESD-sichere Kleidung und Ausrüstung zu tragen. ESD-Laborkittel sind zum Beispiel so konzipiert, dass sie antistatisch sind und die Bildung von Aufladungen verhindern. Sie sind kaum in der Lage, überschüssige Elektronen aufzunehmen. Die beste Möglichkeit, elektrostatische Entladungen zu verhindern, besteht darin, sich mit einem antistatischen Armband (Abbildung 5) oder einer antistatischen Matte ständig zu erden. Dies sorgt dafür, dass der Benutzer ständig mit der gleichen Masse verbunden ist wie das verwendete Gerät, und leitet überschüssige Ladungen sicher in die Masse ab. Wenn die Geräte nicht benutzt werden, sollten die Anschlüsse mit Gummikappen abgedeckt werden, um sie gegen ESD zu schützen.

Abbildung 3: ESD Erdungs-Handgelenkband, Erdungsmatte

Zusammenfassung:

Elektrostatische Entladung ist ein potenziell großes Problem für alle, die mit empfindlicher Elektronik arbeiten. Wenn sie nicht ausreichend beachtet wird, kann sie teure Schäden verursachen. In Laborumgebungen können jedoch mit relativ einfachen Mitteln relativ ESD-sichere Arbeitsumgebungen geschaffen werden.

Nach Informationen von Copper Mountain Technologies;
Abbildungen 1, 2, 3: Copper Mountain Technologies
Hintergrund/"Lightning" by Gerd Altmann from Pixabay