Område 1 · lektion 1

Säkerhet och ESD

Kursens första pass handlar om det som ska sitta innan du kopplar in något: vad som är farligt, vad som inte är det, och varför den skada du inte känner är den som kostar mest tid.

Mål

När du är klar kan du:

• förklara varför kitets spänningar är ofarliga för dig och ändå kan förstöra både komponenter och batterier,
• hantera komponenter så att statisk elektricitet inte skadar dem, och förklara varför du sällan märker när den gör det,
• koppla in multimetern rätt och veta vilka två inställningar som förstör den,
• läsa av vilka hål på ett kopplingsdäck som sitter ihop invändigt.

Genomgång

Vad som faktiskt är farligt

Kitet drivs av 5 V från USB eller 9 V från ett batteri. Det som avgör om elektricitet skadar en människa är inte spänningen i sig utan strömmen som går genom kroppen, och den strömmen bestäms av kroppens motstånd.

Räknat exempel. Torr hud mellan två fingertoppar ger ett motstånd på ungefär 100 kΩ, alltså 100 000 Ω. Med 5 V över blir strömmen:

I = U / R = 5 V / 100 000 Ω = 0,00005 A = 0,05 mA

Känseltröskeln, alltså den svagaste ström en människa märker, ligger kring 0,5–1 mA. Strömmen ovan är minst tio gånger under den. Du kommer inte att känna någonting, och det är därför du får hålla i kopplingen med bara händer.

Jämför med väggen. Vid 230 V och blöta händer med stor kontaktyta kan kroppens motstånd sjunka mot 1 000 Ω:

I = 230 V / 1 000 Ω = 0,23 A = 230 mA

Jordfelsbrytaren i proppskåpet löser ut vid 30 mA, och den gränsen är satt just för att hjärtat kan påverkas ungefär där. 230 mA är nästan åtta gånger över den gränsen. Skillnaden mellan de två uträkningarna är inte en gradskillnad utan en artskillnad – och den är hela skälet till att kursen håller sig under 24 V.

Faran i den här kursen är alltså inte du, utan kortslutningen. Ett 9 V-batteri har en inre resistans på storleksordningen ett par ohm. Lägger du en sladd rakt över polerna blir strömmen:

I = 9 V / 2 Ω = 4,5 A

Hela den effekten utvecklas inuti batteriet, eftersom sladden nästan inte har något motstånd att tala om:

P = I² · R = 4,5² · 2 = 20,25 · 2 ≈ 40 W

Fyrtio watt i ett föremål stort som en tumme. Det märks som värme inom några sekunder, och ett litiumbatteri av samma storlek kan gå betydligt längre än så. Därför: koppla bort spänningen innan du ändrar i kretsen, och låt aldrig ett batteri ligga löst tillsammans med metallföremål.

ESD – skadan du inte ser

ESD står för elektrostatisk urladdning. Du laddas upp av att gå över en matta, resa dig ur en stol eller dra av dig en fleecetröja. Laddningen sitter kvar tills den hittar en väg ut, och den vägen kan vara ditt finger mot ett komponentben.

Siffrorna som gör det här obehagligt:

Räkna på förhållandet. Den svagaste urladdning du kan känna är omkring 3 000 V. En komponent som är känslig vid 250 V tål alltså:

3 000 V / 250 V = 12 gånger mindre än vad du kan känna

Det betyder att den urladdning som förstör komponenten passerar utan att du märker någonting alls. Du får ingen återkoppling. Ingen gnista, inget ljud, ingen känsla.

Det viktigaste i hela guiden ESD-skador är oftast latenta. Komponenten går inte sönder på en gång. Den fungerar när du testar den, den fungerar när du visar upp bygget, och sedan slutar den fungera tre veckor senare, eller när det blir varmt, eller mitt under en redovisning. Att en komponent fungerade när du testade den bevisar därför ingenting om huruvida du skadade den. Det är precis därför försiktighetsåtgärderna känns meningslösa: du får aldrig se konsekvensen av att strunta i dem, bara av att ha struntat i dem för länge sedan.

Vad du gör i praktiken, i fallande ordning efter hur mycket det hjälper:

• Ta i något jordat innan du plockar med komponenter – ett element, ett kranrör, datorns metallchassi. Laddningen går ut genom handflatan i stället för genom ett komponentben.
• Håll kretsar i kanten, inte i benen. Benen går rakt in i kislet.
• Låt komponenter ligga kvar i den svarta ledande påsen eller i det svarta skummet tills de ska användas. Skummet är svart för att det leder – det kortsluter benen mot varandra så att ingen spänningsskillnad kan byggas upp.
• Undvik fleece och ylle vid arbetsbordet, och undvik att dra komponenter över en plastyta.

Verktygen

Multimetern är det verktyg du kommer att använda mest, och det enda du kan förstöra på en sekund. Den har minst tre ingångar:

• COM – den svarta mätsladden sitter alltid här.
• VΩmA – den röda mätsladden sitter här för spänning, resistans och små strömmar.
• 10 A (eller A) – en egen ingång för stora strömmar. Invändigt är den nästan en kortslutning: ett motstånd på en bråkdels ohm och en säkring.

Vredet ställs på likspänning för allt i den här kursen. Symbolen för likspänning är en rak linje över en streckad. Det är ett tecken, inte två att välja mellan – den heldragna och den streckade linjen hör ihop och betyder tillsammans "lik":

Vissa mätare ritar symbolen bredvid ett V, alltså V⎓, och vissa skriver i stället ut bokstäverna DCV. Båda betyder samma sak. Växelspänning har i stället en vågig linje, V∼ eller ACV, och används inte i den här kursen. Ser du bara vågen står vredet fel.

Mätsladdarna går aldrig in i ett vägguttag Du sätter aldrig mätsladdarna i ett vägguttag eller i någon annan 230 V-krets, i något läge på vredet, vid någon tidpunkt i den här kursen. Det gäller också V∼-läget, som är gjort just för växelspänning: rätt läge räddar dig inte om något annat är fel. Står vredet kvar på Ω eller A, eller sitter den röda sladden kvar i A-ingången, lägger du en nästan ren kortslutning över uttaget. Bakom uttaget finns en säkring på 10 A och ett nät som orkar leverera långt mer än så under de millisekunder det tar innan säkringen hinner lösa ut. Det blir en ljusbåge som förångar mätsladdens spets och kastar ut het metall ur uttaget, mot den som håller i sladden. Räkneexemplet högre upp i guiden visar den andra halvan: 230 V över blöta händer ger en ström många gånger över den gräns där hjärtat påverkas. Vill du mäta på nätspänning frågar du först, och svaret är nej.

Räknat exempel på fel område. En mätare med manuella områden står på 200 mV och du mäter över ett 9 V-batteri. 9 V är 9 000 mV, alltså:

9 000 mV / 200 mV = 45 gånger över området

Displayen svarar med 1 längst till vänster och tomt i övrigt, eller OL för over limit. Det är inte ett fel på mätaren, det är mätaren som säger att du valt fel område. Skruva upp ett steg i taget tills en siffra dyker upp.

Utöver mätaren behöver du en avbitartång för att korta komponentben, en avisoleringstång för kopplingstråd, och en pincett.

Skyddsglasögon när du klipper Ta på skyddsglasögon innan du klipper en komponenttråd, varje gång. Den avklippta biten är styv, vass och ofta en centimeter lång, och den lämnar tången med fart. Avklippta trådändar är den klassiska ögonskadan i en elektronikverkstad, och en ögonskada går inte att bygga om. Håll dessutom fast den lösa änden med fingrarna eller en pincett medan du klipper, och klipp nedåt mot bordet i stället för utåt mot rummet. Greppet minskar hur ofta biten flyger; glasögonen är det som gör det betydelselöst när den ändå gör det.

Kopplingsdäcket inuti

Ett kopplingsdäck ser ut som ett rutnät av likadana hål. Det är det inte. Under plasten sitter metallklämmor som binder ihop hålen i grupper, och hela poängen med däcket är att veta vilka grupper som finns.

Vad figuren visar, punkt för punkt:

• Strömskenorna längs över- och underkanten, märkta + och −, hänger ihop i sidled hela däcket igenom. Dit drar du matningen en gång, och hämtar sedan därifrån till varje krets.
• En kolumn om fem hål hänger ihop. I figuren är en av kolumnerna mörkare markerad. Hålen a, b, c, d och e i den kolumnen är samma punkt i kretsen. Sätter du två komponentben där har du kopplat ihop dem, vare sig du menade det eller inte.
• Mittspåret bryter. Hål c och hål h i samma kolumn sitter inte ihop, trots att de ser ut att ligga i rad. Det är två skilda punkter, och den övre halvan (a–e) har ingen förbindelse alls med den undre (f–j).
• Spåret är 0,3 tum brett. Det är exakt måttet mellan benraderna på ett DIP-kapslat chip. Därför sätts ett chip grensle över spåret: dess två benrader hamnar i var sin grupp, och benen kortsluts inte mot varandra.

Tre saker som varken syns i figuren eller står i listan ovan, och som ändå gäller:

• Hålen sitter med 0,1 tums delning, alltså 2,54 mm. Det är standardmåttet för komponentben och är skälet till att allt passar i varandra.
• På många däck är strömskenorna brutna på mitten. Den röda och blå linjen ser obruten ut, men klämman under är delad. Får du ingen spänning i högra halvan av däcket är det oftast det här. Mät efter innan du felsöker något annat.
• Klämmorna slits. Ett hål som en tjock komponentben suttit i håller sämre om en tunn kopplingstråd sedan sätts i samma hål. Sprid ut dig över däcket i stället för att alltid använda samma rad.

I industrin och i vardagen

I industrin: elektronikproduktion sker i så kallade EPA-zoner, ESD-skyddade områden. Golvet är ledande, bordsmattan är jordad, stolen är jordad, och den som arbetar har ett handledsband kopplat till jord. Bandet har alltid ett motstånd på 1 MΩ i serie, och det är ingen slump. Motståndet leder bort statisk laddning tillräckligt fort, men om personen samtidigt råkar ta i 230 V blir strömmen genom bandet:

I = 230 V / 1 000 000 Ω = 0,00023 A = 0,23 mA

Alltså långt under de 30 mA som är farliga. Konstruktionen är en avvägning mellan två risker, och den avvägningen är typisk för hur säkerhet löses i industrin: man tar inte bort en risk, man byter den mot en mindre.

I vardagen: gnistan när du tar i bildörren efter att ha glidit ur sätet är exakt samma fenomen. Du laddades av friktionen mot klädseln, och laddningen gick ut genom fingret när du kom tillräckligt nära metallen. Att det gjorde ont betyder att spänningen var minst några tusen volt. En krets i fickan på samma jacka hade fått samma urladdning, utan att någon märkt det.

Prova själv

Det minsta steg som ger dig något: mät ett batteri.

1. Sätt den svarta mätsladden i COM och den röda i VΩmA. Kontrollera att den röda verkligen sitter där och inte i A-ingången.
2. Vrid till likspänning. Har mätaren manuella områden, välj det minsta som är större än det du väntar dig – 20 V för ett 9 V-batteri.
3. Röd spets på pluspolen, svart på minus. Läs av. Ett nytt alkaliskt 9 V-batteri visar oftast runt 9,5 V obelastat, inte exakt 9,0.
4. Byt plats på spetsarna. Samma tal, men med minustecken. Mätaren berättar vilken av de två punkterna som ligger högst, ingenting annat.
5. Skriv upp värdet med enhet i din anteckningsbok. Vänj dig vid det nu – mätvärden utan enhet räknas inte i dokumentationen.

Gör sedan samma sak med ett motstånd: vrid till Ω, håll motståndet löst i handen och lägg en spets på varje ben. Jämför med färgkoden på kroppen.

Kontrollfrågor

Vanliga fel

• Två ben på var sin sida om mittspåret. Du sätter komponentens ben i vad som ser ut som samma kolumn, i rad d och rad g, och kretsen är död. De sitter inte ihop. Mittspåret finns just för att bryta, och det syns inte alls när komponentkroppen ligger över det.
• Två ben i samma femhålsgrupp. Det motsatta felet, och lika vanligt. Sätter du motståndets båda ben i rad b och rad c i samma kolumn har du kortslutit motståndet. Kretsen fungerar som om det inte fanns – vilket för en lysdiod betyder att den lyser starkt en kort stund.
• Komponenten åkte med i fickan. Du tar hem en krets eller ett chip löst i byxfickan. Tyget mot tyget laddar upp allt som ligger där. Komponenten fungerar när du testar den på kvällen, och det säger ingenting, eftersom ESD-skadan oftast är latent. Ta med den i den svarta påsen eller i skummet den kom i.
• Fel område kvar på multimetern. Mätaren står kvar på Ω eller mA sedan förra mätningen och du mäter spänning. Värdet blir obegripligt och du börjar felsöka kretsen i stället för mätaren. Titta på vredet innan du tittar på displayen.
• Röda sladden kvar i A-ingången. Det farligaste av de här felen. A-ingången är invändigt nästan en kortslutning. Lägger du mätaren över ett batteri med sladden där går mätarens säkring, och med en kraftigare strömkälla blir det värre än så. Flytta tillbaka sladden till VΩmA direkt efter varje strömmätning, varje gång.
• Ändrar i kopplingen med spänningen på. En sladd som glider en rad fel medan strömmen är på kan kortsluta batteriet innan du hinner se det. Dra ur strömmen, ändra, koppla in igen. Det tar tre sekunder extra och sparar en komponent.
• Mäter resistans i en spänningssatt krets. Ω-läget skickar ut en egen liten ström och räknar baklänges. Det förutsätter att kretsen är strömlös. Är den inte det blir värdet fel, och mätaren kan ta skada. Bryt strömmen och lyft helst ut komponenten.

Vidare

Nu vet du hur du inte förstör något. Nästa guide handlar om vad du faktiskt mäter: spänning, ström och resistans. Där kommer Ohms lag, och där lär du dig varför en strömmätning måste bryta kretsen.

Ingen kod i det här området. Språkreferensen öppnar först i område 2.