ESD-Schutz für Atmega

[Scadi (Gast)]

Hallo,
ich möchte für einen MEGA8 14 Eingänge zur Verfügung stellen die +-100V 
DC vertragen und einen ESD-Schutz bekommen.
Dazu habe ich mir folgendes gedacht (Schaltplan im Anhang).
Die Diode D2 repräsentiert die interne Schutzdiode des Mega.
Zunächst zu den +-100V:
+3 bis +100V soll der Mega als High erkennen.
1 bis -100V soll er dagegen als Low erkennen.

Zur Funktion:
Über R32 und den R34 fließt die Eingangsspannung direkt in den Pin 2 und 
kann dort ganz normal als low/high gelesen werden.
D2 begrenzt die Spannung am Pin 2 auf ca. -0.2V und +5,4Volt und schützt 
den Mega. R34 sollte den Strom durch die Dioden ausreichend begrenzen so 
dass diese keinen Schaden nehmen können.
Beim IC5 handelt es sich um ein TVS Diodenarray 
(http://www.littelfuse.com/~/media/electronics/datasheets/tvs_diode_arrays/littelfuse_tvs_diode_array_sp720_datasheet.pdf.pdf) 
das bei ca. -0,7V und +5,7V anfängt zu leiten und die Spannung am 
Knotenpunkt der Widerstände auf die oben genannten Spannungen begrenzt.
Dies soll bis +-100V funktionieren (eigentlich auch noch viel mehr). Bei 
100V beträgt der Strom durch R32 und IC5 ca. 3mA und sollte keine 
Probleme bereiten (IC5 hat im durchgeschalteten Zustand 1 Ohm).

Nun kommen wir zu meinen Sorgenkind, dem ESD.
Im worst case Fall knallen mal eben 15KV in den Eingang und 
durchschlagen den Widerstand R32, den kann man quasi als 0 Ohm ansehen?!
IC5 leitet die Spannung dann gepflegt nach +5V oder GND ab.
Laut Datenblatt schaltet das IC5 binnen 2ns was sich schnell anfühlt.
Nur was passiert vor den 2ns? Bis dahin ist der Mega doch sicherlich 
gestorben da R34 samt Schutzdioden bei einer solchen Spannung dezent die 
Flatter machen?
Die 3pF Eingangskapazität des IC5 wird eine solche Spannungsspitze 
sicherlich nicht ausreichend abflachen um die 2ns zu überbrücken 
(Tiefpass)?
Sollte ich sicherheitshalber einen zusätzlichen Kondensator einbauen 
oder ist das unnötig?
Oder habe ich evt. einen grundsätzlichen Fehler in meinen Überlegungen?

Vielen Dank schon mal im Voraus ;-)

[Hochspannung (Gast)]

Scadi schrieb:
> Im worst case Fall knallen mal eben 15KV in den Eingang und
> durchschlagen den Widerstand R32,

Verhindere dies durch Reihenschaltung mehrerer Widerstände und 
Vorschalten eines Varistors / einer TVS-Diode, der / die länger 
anhaltende Spitzen, die die Bauteile killen, wirksam bedämpft.

Scadi schrieb:
> Die 3pF Eingangskapazität des IC5 wird eine solche Spannungsspitze
> sicherlich nicht ausreichend abflachen um die 2ns zu überbrücken
> (Tiefpass)?

Je nach Geschwindigkeit des Nutzsignals würde ich zusätzliche 
Kapazitäten als R/C-Filter einbauen.

Scadi schrieb:
> Sollte ich sicherheitshalber einen zusätzlichen Kondensator einbauen
> oder ist das unnötig?

Besser mehrere, um das Spannungsniveau auf mehrere Bauteile zu verteilen 
- wie bei einer Strickleiter.

[Thomas M. (scadi)]

Hallo,
ich habe die Sache mal abgeändert (Anhang).
Der 400V Varistor sorgt dafür das 230V Netzspannung angelegt werden kann 
ohne einen Kurzschluss zu verursachen.
Für R32 verwende ich einen Widerstand mit 500V Spannungsfestigkeit.
D1 begrenzt die Spannung hinter R32 auf 4,2V.
Muss ich trotzdem noch eine Kapazität einbauen? Der Varistor, D1 und D2 
sollten doch reichen?

Grüße
Thomas

[U. M. (oeletronika)]

Hallo,
> Nun kommen wir zu meinen Sorgenkind, dem ESD.
> Im worst case Fall knallen mal eben 15KV in den Eingang und
> durchschlagen den Widerstand R32, den kann man quasi als 0 Ohm ansehen?!
Naja, ganz so kritisch würde ich das wieder nicht sehen.
ESD wirkt nur mit begrenzter Ladung und somit auch begrenzter Energie.
Wenn du R32 ausreichend leistungfähig auslegst, dann wird der nicht 
gleich komplett versagen.
Allerdings wären Gasableiter am Eingang (vor R32) eine sehr wirksame und 
leistungsfähige Spannungsbegrenzung (auch für weit höhere Energien z.B. 
infolge Blitzschlag).

> Laut Datenblatt schaltet das IC5 binnen 2ns was sich schnell anfühlt.
> Nur was passiert vor den 2ns? Bis dahin ist der Mega doch sicherlich
> gestorben da R34 samt Schutzdioden bei einer solchen Spannung dezent die
> Flatter machen?
Naja, bei so hohen Eingangswiderständen in Verbindung mit den 
parasitäten Kapazitäten ist das schon ein Tiefpass mit nicht sehr hoher 
Grenzfrequenz.
Wenn du noch ein paar 10pF...100pF MLCC mit dran hängst, dann werden die 
Flanken noch flacher.

[Thomas M. (scadi)]

Wenn ich in die Datenblätter von Zenerdioden schaue haben die bei 3,7V 
ca. 170pF Kapazität (ich würde dann an stelle der 4,2V eine 3,7V 
verwenden).
Das sollte doch in Verbindung mit dem 100K Widerstand ein ausreichender 
Tiefpass sein?!