Eingangsschutz gegen ESD und Überspannung

Ein Mikrocontrollerpin, der direkt an einer Klemme nach außen geht, lebt gefährlich. Wer den Stecker anfasst, entlädt sich mit einigen Kilovolt über ihn (ESD). Ein Verdrahtungsfehler legt 12 oder 24 V an, wo 3,3 V hingehören. Und lange Leitungen fangen Störungen ein. Die Schutzdioden im Chip selbst vertragen nur wenige Milliampere, und ihr Datenblatt erlaubt meist nur 0,3 V über der Versorgung.

Eine gute Eingangsschutzschaltung arbeitet deshalb in Stufen: Eine TVS-Diode direkt am Stecker fängt die grobe Energie ab, ein Widerstand begrenzt den Strom, ein Kondensator glättet, und zwei Schottky-Dioden klemmen die Spannung auf den erlaubten Bereich. Das Beispiel schützt einen ADC-Eingang eines 3,3-V-Mikrocontrollers, an dem ein Sensor über zwei Meter Kabel hängt.

Schaltplan

• D1, SMAJ24CA: bidirektionale TVS-Diode, 400 W, sperrt bis ±24 V. Sie sitzt direkt am Stecker und leitet ESD-Impulse nach Masse ab.
• R1, 4,7 kΩ: begrenzt den Strom in die Klemmdioden bei Fehlspannung und trennt den empfindlichen Teil vom Stecker. Bauform 1206, weil er kurz bis 60 V sieht.
• C1, 10 nF: schluckt die Restladung aus dem ESD-Impuls und bildet mit R1 einen Tiefpass gegen Störungen.
• D2, BAT54S: zwei Schottky-Dioden in Reihe im SOT-23. Die obere leitet über 3,3 V in die Versorgung, die untere unter 0 V aus Masse.
• R2, 1 kΩ: begrenzt den Strom in die internen Schutzdioden des Pins, falls D2 etwas mehr Spannung durchlässt als der Pin verträgt.

So funktioniert die Schaltung

Normalbetrieb. Der Sensor liefert 0 bis 3 V. D1 und D2 sperren, durch R1 und R2 fließt nur der winzige Eingangsstrom des ADC. Der Eingang sieht einen Tiefpass mit 3,4 kHz Grenzfrequenz – für ein Sensorsignal mehr als genug.

Fehlspannung. Jemand klemmt 24 V an. D1 sperrt noch, denn sie ist für 24 V ausgelegt. Der Knoten an C1 steigt, bis D2a leitet, und bleibt dann bei etwa 3,67 V stehen. Den Rest der Spannung nimmt R1 auf; es fließen 4,3 mA in die 3,3-V-Schiene. Bei −24 V übernimmt D2b und hält −0,38 V. Der Pin hinter R2 bekommt davon nur Mikroampere ab.

ESD. Eine Entladung von 8 kV aus einem Finger liefert einige zehn Ampere für Nanosekunden. Kein Widerstand und keine kleine Schottky-Diode würde das ertragen. D1 leitet sofort und hält den Stecker auf einigen zehn Volt. Durch R1 fließen dann nur noch Milliampere, die C1 kaum aufladen. Das zeigt die Simulation:

Dimensionierung

1. TVS-Diode. Ihre Sperrspannung muss über der höchsten Fehlspannung liegen, die dauerhaft anliegen darf – sonst würde sie bei einem Verdrahtungsfehler durchbrennen. Für 24 V also U_RWM = 24 V. Bidirektional, weil auch −24 V vorkommen können. Für reine 3,3-V-Leitungen ohne Fehlspannung nimmt man stattdessen kleine ESD-Dioden mit 5 V und wenigen Pikofarad.

2. R1 nach dem Klemmstrom. Die Klemmdioden und die 3,3-V-Schiene sollen höchstens etwa 5 mA aufnehmen:

Gewählt: 4,7 kΩ aus der E-Reihe. Verlust bei 24 V: (20,3 V)² / 4,7 kΩ ≈ 88 mW – eine 1206-Bauform mit 0,25 W reicht.

3. C1 und Grenzfrequenz. Je größer C1, desto weniger hebt ihn ein ESD-Impuls; desto langsamer folgt aber der Eingang dem Signal:

Für langsame Sensoren ist das ideal. Der ADC lädt beim Abtasten seinen internen Kondensator von einigen Pikofarad aus C1 nach; mit 10 nF entsteht dabei weniger als ein Promille Fehler.

4. Klemmdioden. Schottky-Dioden leiten früher als die internen Siliziumdioden des Chips. Die BAT54S hält bei 4,3 mA etwa 0,37 V über der Versorgung. Ein Pin, der nur 0,3 V darüber verträgt, bekommt den Rest über R2: (3,67 V − 3,6 V) / 1 kΩ – praktisch nichts.

5. Wohin mit dem Strom? Die 4,3 mA fließen in die 3,3-V-Schiene. Ein LDO-Regler kann keinen Strom aufnehmen. Zieht die Schaltung weniger als diese 4,3 mA, etwa im Tiefschlaf, steigt die Schiene über 3,3 V. Abhilfe: eine Grundlast, eine Z-Diode mit 3,6 V an der Schiene oder D2a gegen eine eigene Z-Diode statt gegen die Versorgung.

Im Programm erkennst du einen Fehler daran, dass der Wert am Anschlag klebt:

const int SENSOR = 34;               // ADC-Pin hinter R2

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  analogReadResolution(12);          // 0 … 4095
}

void loop() {
  int roh = analogRead(SENSOR);
  float volt = roh * 3.3 / 4095.0;
  if (roh >= 4090) Serial.println("Eingang am oberen Anschlag – Verdrahtung prüfen");
  else Serial.printf("Sensor: %.3f V\n", volt);
  delay(500);
}

Bauteilliste

Varianten

Digitaleingang mit 24 V. Soll der Eingang 24-V-Signale verarbeiten, gehört davor ein Spannungsteiler oder besser ein Optokoppler, siehe Optokoppler-Eingang für 24 V. Die Schutzstufe hier ist für Fehler gedacht, nicht für den Betrieb.

Präzise Messung. Für Eingänge mit hoher Impedanz, etwa pH-Sonden oder Fotodioden, sind Schottky-Leckströme zu groß. Dort nimmt man Low-Leakage-Dioden wie die BAV199, deren Sperrstrom im Pikoamperebereich liegt, und einen Operationsverstärker als Puffer.

Hochfrequente Signale. USB, Ethernet oder schnelle SPI-Leitungen vertragen weder 4,7 kΩ noch 10 nF. Dort sitzen ESD-Dioden mit unter 1 pF direkt am Stecker, ohne Serienwiderstand.

Begrenzen ohne Versorgung. Statt gegen die Schiene kann der Knoten auch über eine Z-Diode nach Masse begrenzt werden. Wie Dioden ein Signal kappen, erklärt der Diodenbegrenzer. Den Eingang mit Spannungsteiler für größere Messbereiche zeigt Spannung messen mit dem ADC.

Versorgung schützen. Auch die Versorgungsklemme braucht Schutz, aber mit anderen Bauteilen: Überspannungsschutz mit TVS und Crowbar.

Typische Fehler

• TVS-Diode zu weit weg: Jeder Zentimeter Leiterbahn zwischen Stecker und D1 hat rund 10 nH. Bei einem ESD-Anstieg in einer Nanosekunde sind das schnell über hundert Volt, die an D1 vorbeikommen. D1 gehört direkt an den Pin des Steckers, die Masse auf kurzem Weg in die Massefläche.
• Klemmdioden ohne Serienwiderstand: Ohne R1 fließt bei 24 V der volle Strom des Netzteils durch die BAT54S. Sie stirbt in Millisekunden.
• Versorgung pumpt hoch: Im Tiefschlaf misst du an 3,3 V plötzlich 4 V. Der Klemmstrom hat keinen Abnehmer, siehe Schritt 5.
• Messwerte springen nach dem Abtasten: C1 fehlt oder ist zu klein; der ADC zieht beim Abtasten Ladung aus der hochohmigen Quelle.
• Unidirektionale TVS-Diode: Bei negativer Fehlspannung leitet sie in Durchlassrichtung wie eine normale Diode und zieht großen Strom aus der Quelle.

Selbsttest