Galvanische Trennung
Was ist eine "Galvanische Trennung"?
Das bedeutet, dass Ladungsträger aus einem Stromkreis nicht in den anderen hinüberwechseln können. Die beiden Stromkreise sind also nicht gleichstrommäßig verbunden.
Wozu trennen?
- Vermeidung von Masseschleifen/Brummschleifen
- Aus Sicherheitsgründen
- Als Schutzmaßnahme
- Vermeidung von Potentialverschiebungen
RS-485 galvanisch trennen
RS485-Receiver erkennen Signale nur innerhalb bestimmter Gleichtakt-Spannungsgrenzen (-7V/+12V), bei verteilten Systemen mit langen Verbindungskabeln können diese überschritten werden, es kommt zu Übertragungsfehlern bis zum völligen Zusammenbruch der Kommunikation. Das gleiche Prinzip gilt natürlich auch für andere Schnittstellen. Um einen RS-485 Tranceiver wie z. B. den üblichen SN75176 von der restlichen Schaltung galvanisch zu trennen, müssen die Datenleitungen und die Stromversorgung aufgetrennt werden
Stromversorgung
Einfachste Möglichkeit: Sofern man einen Trafo als Spannungsquelle nutzt, kann die Hauptschaltung die erste Sekundärwicklung nutzen und die zweite Spannung für den SN75176 unter Umständen an einer weiteren Sekundärwicklung abgegriffen werden.
Ansonsten nimmt man meistens einfach einen galvanisch getrennten DC/DC-Wandler (Schaltregler). Die Eingänge heissen meist VIN-(GND), VIN+(+5V) und die Ausgänge VOUT-(GNDI), VOUT+(VCCIO). GND/+5V ist dabei die Spannung, welche von der Schaltung kommt, mit GNDI/VCCIO wird der Treiber gespeist. GND und GNDI nicht verbinden! Das tut zwar dem DC/DC-Converter nicht weh, aber die galvanische Trennung ist dann nicht mehr vorhanden! DC/DC-Wandler mit weniger als drei Watt sind meistens ungeregelt und benötigen eine gewisse Grundlast, ansonsten geben sie eine höhere Ausgangsspannung aus. Mit dem Stromverschwender SN75176 ist diese Grundlast oftmals schon erfüllt, bei sparsameren Treibern wie dem MAX481 muss also unter Umständen noch etwas Strom via Widerstand oder LED verbraten werden.
Datenleitungen
- Hier eignen sich schnelle Optokoppler wie 6N137 (10Mbit/s).
- Für höhere Geschwindigkeiten bietet z. B. Analog Devices recht teure Digital Isolators an, genannt iCoupler.
Beispielschaltung
Die Leitungen RXD, TXD und DE gehen zum Mikrocontroller, welcher per RS485 kommunizieren will z. B. ein ATmega8. Der DC/DC-Wandler erzeugt galvanisch getrennte 5V mit denen der Empfänger-Teil des Optokopplers (hier ein 6N137) und der RS-485-Treiber (hier ein SN75176) gespeist wird. Da der Optokoppler bei Standardbeschaltung invertieren würde, wird hier die Anode an 5V angeschlossen und die Kathode an den Logikausgang (siehe Artikel Optokoppler). Der 6N137 hat einen Open-Collector Ausgang und muss mittels des Pull-Up Widerstands auf 5V gezogen werden.
Hinweis! Der in diesem Beispielbild verwendete DC/DC-Wandler ist ungeregelt und braucht eine Minimallast von 10%, hier 20mA. Das wird hier durch den alten, stromfressenden SN75176 gewährleistet. Alternativ kann man die Spannung mit einer Z-Diode ausreichender Leistung begrenzen, hier z. B. 5,6V/1W. Im Falle eines Kurzschlusses an der RS-485-Leitung könnte der Wandler nach Datenblatt auch nicht genügend Leistung liefern, diesen Fall sollte man vermeiden.
Vollintegrierte Lösung
Ein RS-485 Treiber mit integrierter galvanischer Trennung ist der ISO1176 von Texas Instruments. Die galvanische Entkopplung wird nicht durch Lichtübertragung sondern durch ein elektrisches Feld erreicht. -> Kondensator als Isolator. Dies hat den Vorteil, dass man höhere Geschwindigkeiten erreichen kann als mit Optokopplern möglich sind, in diesem Fall 40 Mbit/s.
Siehe auch
- Forumsbeitrag: galvanisch getrennt DC/DC 3V/1mA
- Forumsbeitrag: galvanisch getrennt DC/DC mittels Ethernettrafo, 1,6W Ausgangsleistung
- Forumsbeitrag: Galvanische Trennung mit Kondensator
- Forumsbeitrag: EMV-Probleme mit DC/DC Wandler
Links
- Kondensatornetzteil auf Das ElKo incl. Erklärung, warum damit keine galvanische Trennung erreicht wird (Abschnitt "Gefährlicher Irrtum eines ELKO-Lesers:")