Můj "tvůrčí proces" spočívá v tom, že po dopsání blogu, brzy ráno sedím spokojeně na záchodě a najednou blesk do hlavy - boha jeho vždyť jsem ještě nevysvětlil tohle ... Šok, ale na hodinkách je 6.25 autobus jede 6.33 - nelze nic dělat než za pár dní zase pokorně sednout a psát vysvětlení, co jsem minule zanedbal.
Takovým způsobem jsme se od blbuvzdornosti dostali k ochraně proti přepólování a odtud k ochraně vstupu digitálních CMOS obvodů a tím pádem i mikrokontrolérů.
Ještě si pamatuju doby kdy se CMOS součástky dodávaly s nožičkami zkratovnými alobalovou fólií. Se všemi bezpečnostními opatřeními proti statické elektřině se zapájely, pak se teprve alobal pracně maličkou pinzetou odstraňoval a pak jste se museli hodně modlit aby vám byli elementálové příznivě naklonení a obvod fungoval.
To už dneska není nutné, CMOS obvody jsou sice citlivější než bipolární, ale můj - vidlácký - postup i bez antistatického náramku je takový , že vylezu morký z vany, obleču bavlněné pyžamo, sednu na dřevěnou židli, sánu si na topení a jdu trafopájkou !!! pájet SMD Atmely. Nikomu takový postup nedporučuju ba naopak - výslově takový postup zakazuju. Přesto probereme čím to je že se stala taková změna ?
Prostě od jisté doby to výrobce CMOS součástek přestalo bavit vyřizovat stovky reklamací a začali vstupy CMOS obvodů vybavovat ochrannými diodami - jako na obrázku. Co vídíme na obrázku je vlastně celý můj oblíbený CMOS invertor 4069, který používám nejen jako digitální obvod ale i jako analogový zesilovač. Jak jste jistě pochopili diody na vstupu se otevřou pokud se napětí dostane kousek nad napájení, nebo kousek "pod zem" a zachrání citlivá hradla CMOS tranzistorů. Tyto diody mají, boužel, dvě negativní vlastnosti - kapacitu, která (poněkud) omezuje maximální frekvenci obvodu a proud v závěrném směru, který (poněkud) snižuje vstupní odpor obvodu.
Diody vydrží na CMOS součástky poměrně vysoký proud běžně kolem 4 mA, ale jsou i obvody kde ochranné diody vydrží i 20 mA (nutno mrknout do datasheetu). Navíc tyto diody mají zvláštní nectnost - pokud je CMOS obvod bez napájení, ale na vstupech je 5V horní dioda se otevře a proud, který ji prochází udrží obvod ve funkci - tzv parazitní napájení, na které se musí dávat pozor.
Sám si dobře pamatuju jak jsem dostal kopanec od "kopajícího robota", kterého jsem kolegům pomálal tlačit do skladu. Při tlačení motory ve funkci dynama vyvinuly takové napětí, že přes vstupy se nastartoval procesor, který vydal nějaký nesmyslný příkaz a robot prudce vyjel proti smeru tlačení - všichni jsme byli pokopaní - nikoliv elektricky ale mechanicky pěkně železem (hliníkem) do holeně....
4 mA je na CMOS obvody strašně moc, ale pokud zapojíte na vstup procesrou 12 votovou "olověnku" bude konec. Jak tomu zabránit ? Nejlépe tak, že před vstup předřadíte ochranný odpor - při 12 voltech počítáme jeho hodnotu tako
(12-5 V) / 4mA = 1750 ohm
Tedy 1K8 na vstup a můžete připojit i olověnku. Problém je v tom, že CMOS vstupy mají kapacitu a odporem na vstupu způsobíte zpoždění signálu - v reálu tak 10-20 nano Sekund - to většinou není kritické, ale pokud se pohybujete v pracovních frekvencích přes 10 MHz tak už to může mít vliv.
V horní části obrázku vidíte- jak by to mělo vypadat. Obvod je jenom v náznaku - operační zesilovač aby na svém výstupu pokryl celý rozsah 0 - 5 V musí být napájen z nestabilizovaného napětí akumulátoru, které je 12V, tím se může stát že výstup OZ se dostane až k 10V to by nám digitální obvod mohlo zníčít, proto ochranný odpor. Pokud není vstupem nějaké obyčejné hradlo, ale AD převodník mikrokontoléru - máme problém, protože AD převodník vyžaduje nízký vstupní odpor kolem 1K. Pokud to chceme udělat úplně dokonale - modifikujeme zapojení jako na obrázku dole - záporná zpětná vazba nám zajistí (téměř) nulový výstupní odpor OZ, ale ochranný odpor R4 nám omezí proud aby se nezničily ochranné diody, které má mikrokontrolér úplně stejně jako každý jiný CMOS čip.
Varování na závěr - dotkli jsme se něčeho , čemu se říká ochrana proti ESD (electrostatic discharge) - to je dnes "buzzword". Tisíce velemoudrých osob, které už 30 let (nebo nikdy) nepostavily ani blikátko tohle sáhodlouze za velké prachy řeší. Proto opět varuju předem - podle mých zkušeností vám vstupy do MCU s těmito ochranami vydrží, ale jesti uděláte zkoušku na VUT, nebo vás vezmou do práce v oblasti "ochrany proti ESD" nemohu zaručit, neb jsem jenom vidlák, bez "kvalifikace v oboru".
Ještě dnešní rada brunetám. Pokud - poučena minulými díly seriálu - vstupíte v latexových kozačkách, blonďaté paruce a hedvábném negližé do robotické pracovny svého miláčka a budete falešnou hřívou eroticky pohazovat - třením "vlasů" o negližé vznikne statická elektřina, která se přes latex na kozačkách nevybije do země a jiskra jistě přeskočí... Jenom se pak nedivte když místo "vzlyků touhy" uslyšíte něco jako - "krávo - zničila jsi mi procesor za 300,-" - Prostě bavlněné triko, hygienické bombarďáky a kovová sponka v hlavě - je jistota. Statickou elektřinu raději vybijte sáhnutím na topení nebo vodovod, pak možná nastane opravdové erotické dusno - což neznamená že zmíněný divoký outfit vám nemá viset ve skříní jen tak "pro případ potřeby" .....