Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik UART mit Optokopplern galvanisch trennen bei unterschiedlichen Spannungen


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von Seppl F. (passuff)


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Hallo zusammen,

wie ihr auf der Zeichnung sehen könnt, habe ich einen Controller der 
über UART mit einem Display kommunizieren soll. Der Controller wird aus 
einer Batterie gespeist. Die UART Schnittstelle des Controllers ist 
galvanisch getrennt.
Das Display wird ebenfalls über die Batterie gespeist, die UART 
Schnittstelle ist jedoch nicht galvanisch getrennt.
Da ich die galvanische Trennung beibehalten möchte, suche ich nach einer 
Möglichkeit die Kommunikation der beiden Geräte galvanisch zu trennen.
Ich dachte an Optokoppler, aber mir fehlt das elektrotechnische 
Grundwissen um das umzusetzen. Eventuell gibt es aber auch eine andere 
Möglichkeit.
Ich freue mich über jeden Hinweis.

Gruß

von Manfred (Gast)


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Seppl F. schrieb:
> die Kommunikation der beiden Geräte galvanisch zu trennen

ADUM1201 - siehe Beitrag "Re: Arduino ProMini galvanisch getrennt"
(Das Drumherum für Reset brauchst Du nicht).

Mit dem Gebilde befingere ich 3,3V Arduino mit 5V vom USB, klaglos!
Zuvor hatte ich einen Aufbau mit Optokopplern gemacht, aber Ärger 
gefangen weil zu langsam.

von Jacko (Gast)


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Frage 1:
Wovor soll denn die galvanische Trennung schützen?
Batteriegeräte sind jetzt nicht dafür berüchtigt, Sörpulse
aus dem Netz o.ä. einzuschleusen. Also?

von Seppl F. (passuff)


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Hallo Manfred,

danke dir für deinen Tipp.
Ich habe mir das Datenblatt angesehen und bin mit der Umsetzung etwas 
überfordert ;)
Was ich verstanden habe:
Strom muss ausreichend sein, sonst geht die Geschwindigkeit runter. 
(Widerstände in RX/TX?)
Beide Seiten werden mit 5V betrieben. Ich habe aber auf der einen Seite 
höhere Spannung die dazu noch variabel ist. Muss ich hier mit einem 
DC/DC Wandler arbeiten oder kann man das auch einfacher realisieren?

Beitrag #6484258 wurde von einem Moderator gelöscht.
von Manfred (Gast)


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Seppl F. schrieb:
> Strom muss ausreichend sein, sonst geht die Geschwindigkeit runter.
> (Widerstände in RX/TX?)

Die Stromaufnahme von dem Teil beträgt einige mA, unkritisch.

> Beide Seiten werden mit 5V betrieben.
Oder mit 3 Volt oder gemischt, mehr als 5,5V dürften unzulässig sein.

> Ich habe aber auf der einen Seite höhere Spannung die dazu noch variabel ist.

Oh nett, eine Salamischeibe nachgelegt ... das stand nicht in der Frage.
"Bis zu 84V" - viel Spaß, einen Spannungsregler zu finden, der das kann.

Wir wissen nicht, wie Deine Displayschnittstelle aussieht, ob die 
vielleicht V.24 mit +/- 12V Signalpegel hat.

Die Signalpegel Rx / Tx müssen gleich der Betriebsspannung sein. Wenn 
die bei Deinem Display anders sind, geht das so nicht, dann müssten noch 
zusätzliche Treiber wie z.B. MAX232 den Pegel anpassen.

von Helmut -. (dc3yc)


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Warum solchen Aufwand? Wovor soll die galvanische Trennung schützen? Ist 
die Leitung zwischen Controller und Display so lange? Kann aber auch 
nicht sein, weil Logikpegel da nicht hilft. Dann lieber ohne Trennung 
auf RS232-Pegel umsteigen!

von Seppl F. (passuff)


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Die Betriebsspannung stand im Bild. In diesem Fall keine Salamitaktik 
;-)
Ein paar Details (jetzt zur Salami ;) ):
FOC Motor Controller -> https://silixcon.com/sc-controller-series/
UART Geschwindigkeit 115kps
Pegel 5V
Galvanisch nicht getrennt sind alle I/O, CAN und UART des Controllers. 
Diese sind aber galvanisch getrennt von der Ansteuerung eines 3 Phasen 
Motors. Über die galvanische Trennung bin ich ehrlich gesagt ganz froh - 
hatte ich bei meinem alten Controller nicht und da hatte ich viele 
Probleme durch Störungen im I/O. Das Datenblatt habe ich angehängt, 
vielleicht interessiert es ja jemanden.
Display und Controller sind Fertigteile, da möchte ich nicht in die 
Elektronik eingreifen, lediglich an die Verkabelung dazwischen traue ich 
mich ran. Diese ist vermutlich max. 1,5-2m.

: Bearbeitet durch User
von Heinz R. (heijz)


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jetzt wäre noch spannend:
Was ist das für ein Display das mit 60V versorgt wird?

Kann das Display nicht einfach an die 5V die der Controller ausgibt 
angeschlossen werden?

von Seppl F. (passuff)


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Das Display benötigt eine Eingangsspannung im Bereich 24-84V. Andere 
Spannungen sind ohne Modifikation nicht möglich.

von michael_ (Gast)


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von Seppl F. (passuff)


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Danke Dir Michael. Aber ich sehe da jetzt auf Anhieb keine Lösung meines 
Problems. Ich habe leider keine belastbaren 12V. Darüber hinaus löst es 
meine Spannungsproblematik auf der Displayseite nicht. Was ist der 
Vorteil gegenüber eines ADUM1201? Vielleicht stehe ich aber auch auf dem 
Schlauch und du möchtest mir das noch mal etwas detaillierter erläutern?
Gruß

von michael_ (Gast)


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Seppl F. schrieb:
> Ich habe leider keine belastbaren 12V.

Dein Problem.
Von Nichts kommt Nichts.

Seppl F. schrieb:
> Die UART Schnittstelle des Controllers ist
> galvanisch getrennt.
> Das Display wird ebenfalls über die Batterie gespeist, die UART
> Schnittstelle ist jedoch nicht galvanisch getrennt.
> Da ich die galvanische Trennung beibehalten möchte, suche ich nach einer
> Möglichkeit die Kommunikation der beiden Geräte galvanisch zu trennen.

Nochmal genau gelesen.
Du willst also eine Übertragung auf TTL-Basis.
Controller ist galv. getrennt.

Was willst du denn da noch?

von H. B. (communicator9)


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Die UART des Motor Controllers hat 5V Pegel.
Eine isolierte 5V Spannung die mit max. 100mA belastbar ist wird 
bereitgestellt.

Hat die Schnittstelle des Display´s auch 5V Pegel?
Manual oder Anschlussplan des Displays wären interessant.

von jibi (Gast)


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Er will galvanisch trennen, wo es absolut nichts bringt. Aber das rafft 
er nicht. Stattdessen beschäftigt er euch.

An TO: Du brauchst da keine galvanische Trennung, die Endstufe macht 
(wie du selber gemerkt hast) wenn überhaupt Probleme. Anders 
ausgedrückt: sollte deine TTL-Logik Probleme machen, hilft da auch keine 
galvanische Trennung - denn hier sind wiederum andere Störquellen / 
Umstände Ursache.

von Seppl F. (passuff)


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Das Display hat keine 5V. Lediglich die eingezeichneten 60-84V sind 
möglich.
Ich will nicht zwangsläufig galvanisch trennen. Es bleibt mit aber 
nichts anderes übrig. Das ist nun mal die Konfiguration des Controllers 
und somit mein Schicksal. Man kann diese leider nicht abschalten.
Bei früheren Controllern hatte ich wie gesagt Probleme mit Störungen von 
der Hochvoltseite auf dem I/O. Ich habe mir die Trennung nicht 
ausgesucht, diese aber als Vorteil gegenüber anderen Controllern 
empfunden. Ob das nun zutrifft oder nicht, so sind es leider die 
Voraussetzungen welche ich nicht ändern kann.

von H. B. (communicator9)


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Seppl F. schrieb:
> Das Display hat keine 5V. Lediglich die eingezeichneten 60-84V sind
> möglich.
> Ich will nicht zwangsläufig galvanisch trennen. Es bleibt mit aber
> nichts anderes übrig. Das ist nun mal die Konfiguration des Controllers
> und somit mein Schicksal. Man kann diese leider nicht abschalten.
> Bei früheren Controllern hatte ich wie gesagt Probleme mit Störungen von
> der Hochvoltseite auf dem I/O. Ich habe mir die Trennung nicht
> ausgesucht, diese aber als Vorteil gegenüber anderen Controllern
> empfunden. Ob das nun zutrifft oder nicht, so sind es leider die
> Voraussetzungen welche ich nicht ändern kann.

Dass das Display keine 5V zur Verfügung stellt ist schon klar.

Aber die Schnittstelle des Displays, also TXD und RXD haben doch 
bestimmt keinen Pegel von 60-84V?

von Seppl F. (passuff)


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Davon ist auszugehen. Wie schon geschrieben möchte ich aber eigentlich 
nicht in die Geräte eingreifen, da ich sonst vermutlich die 
Gewährleistung verliere. Eigentlich war es mein Ziel nur den Kabelbaum 
anzupassen. Solange dies möglich ist, würde ich diesen Weg bevorzugen.

von H. B. (communicator9)


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Seppl F. schrieb:
> Davon ist auszugehen. Wie schon geschrieben möchte ich aber eigentlich
> nicht in die Geräte eingreifen, da ich sonst vermutlich die
> Gewährleistung verliere. Eigentlich war es mein Ziel nur den Kabelbaum
> anzupassen. Solange dies möglich ist, würde ich diesen Weg bevorzugen.

Hat das Display nun 5V Pegel auf den TX und RX Leitungen oder nicht?

Wenn du Hilfe suchst dann solltest du auch mal ein wenig kooperieren!

von Seppl F. (passuff)


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Pegel ist 5V. Das hatte ich oben schon erwähnt daher dachte ich nicht, 
dass du darauf hinaus willst. Ich dachte, dass du nach der internen 
Betriebsspannung des Displays fragst.

von Anja (Gast)


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Hallo,

es gibt auch ADUM-Bausteine mit integriertem DC/DC-Wandler.
z.B. ADUM5241

Gruß Anja

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Warum willst du die galvanisch getrennte Schnittstelle des Controllers 
nochmal galvanisch trennen?

von Seppl F. (passuff)


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@Anja. Danke, schau ich mir mal an.
@Stefan. Nicht nochmal trennen sondern beibehalten. Ich möchte ungern 
die beiden GND Level miteinander verbinden. Vermutlich ist es auch nicht 
zulässig.

von H. B. (communicator9)


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Dann verwende den ISOW7821.

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/isow7821.pdf?ts=1605965409650&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fstore%252Fti%252Fen%252Fp%252Fproduct%252F%253Fp%253DISOW7821DWE

Der erzeugt die 5V auf der Displayseite.

Nicht vergessen die Abblockkondensatoren an VCC und an VISO.

Wenn dir Analog Devices lieber ist, von denen gibts auch solche 
Bausteine aus der iCoupler Reihe wie z.B. den ADUM6422A.

Was mich noch interessieren würde.
Kann der Motorcontroller überhaupt ein Display ansteuern?
Auf dem Motorcontroller läuft doch ein eigenes Betriebssystem soweit ich 
weiss.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Seppl F. schrieb:
> Vermutlich ist es auch nicht zulässig.

Warum nicht?

Eine vollständige beidseitige galvanische Trennung auf beiden Seiten ist 
sicher nicht gut, denn dann hast du schwebende Potentiale ohne Bezug zur 
Erde.

Normalerweise ist GND Ground (Erde). Außer man hat einen guten Grund, es 
nicht zu tun. Aber auch dann muss dieses GND einen klar definierten 
Pegel relativ zur Erde haben. Ganz einfach weil wir Menschen auf der 
Erde stehen und alles auf die Erde bauen.

Ohne Bezug von GND zur Erde könnte eine simple Berührung durch unsere 
Finger bereits eine elektrostatische Überladung der Bauteile 
verursachen.

: Bearbeitet durch User
von Anja (Gast)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> Eine vollständige beidseitige galvanische Trennung auf beiden Seiten ist
> sicher nicht gut,

Dann würde kein Elektro-Auto Fahren dort ist die Traktionsbatterie immer 
isoliert (von Karosserie) und sogar mittels Isolationswächter überwacht.

Stefan ⛄ F. schrieb:
> Außer man hat einen guten Grund, es
> nicht zu tun.

84V DC sind auf jeden Fall keine Schutzkleinspannung.

Gruß Anja

von Seppl F. (passuff)


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@H.B. /Anja: Die von euch erwähnten Bausteine haben einen integrierten 
DC/DC wandler. Die maximale Eingangsspannung bewegt sich jedoch immer 
zwischen 4.5 und 5.5V. Das verstehe ich nicht wirklich. Wird dann 
lediglich auf 5V stabilisiert? Kann ich dann mit einem Spannungsteiler 
arbeiten?

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Anja schrieb:
> Dann würde kein Elektro-Auto Fahren dort ist die Traktionsbatterie immer
> isoliert (von Karosserie) und sogar mittels Isolationswächter überwacht.

Lass und mal bei der kleinen feinen Elektronik bleiben. Sonst erkläre 
ich dir mal, warum unter jedem Müllwagen elektrisch Leitfähige Ketten 
auf den Boden baumeln.

von H. B. (communicator9)


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Seppl F. schrieb:
> @H.B. /Anja: Die von euch erwähnten Bausteine haben einen integrierten
> DC/DC wandler. Die maximale Eingangsspannung bewegt sich jedoch immer
> zwischen 4.5 und 5.5V. Das verstehe ich nicht wirklich. Wird dann
> lediglich auf 5V stabilisiert? Kann ich dann mit einem Spannungsteiler
> arbeiten?

Du versorgst den Baustein auf der Motorcontroller Seite mit 5V.
damit macht der integrierte DC/DC Wandler die 5V auf der Displayseite.
Das wars.
Auf der Displayseite nur noch die Leitungen RX, TX und GND anschliessen 
und die Abblockkondensatoren zwischen VISO und GND2.
VISO wird nicht an das Display angeschlossen.

von Anja (Gast)


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Seppl F. schrieb:
> Kann ich dann mit einem Spannungsteiler
> arbeiten?

Du hattest oben erwähnt Daß Du mit 5V-Pegeln arbeitest oder?

Wenn auf RX und TX andere Pegel (RS232 also +/- 5..15V) sind brauchst Du 
andere Isolationsbausteine (für RS232).

Gruß Anja

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Bei RS232 sind nicht nur die Spannungen größer sondern auch invertiert - 
verglichen mit UART.

von H. B. (communicator9)


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Du schliesst alles so an wie auf deinem 2. Bild - nur läst du den 
DC/DC-Wandler weg.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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H. B. schrieb:
> Du schliesst alles so an wie auf deinem 2. Bild - nur läst du den
> DC/DC-Wandler weg.

Dann fehlt dem aktiven Koppler auf der rechten Seite die 
Spannungsversorgung.

von Seppl F. (passuff)


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@h.b. hatte die DC/dc Funktion nicht verstanden. Jetzt ist es klar. Der 
adum6422 wirkt auf mich etwas oberloaded mit Features. Reicht der von 
Anja erwähnte adum5421 nicht aus? Welchen Vorteil siehst du im 6422?
@ Anja. Das lag an meinem Verständnisproblem des DC/DC wandlers. Pegel 
ist 5V. Ich dachte zuerst ich müsste dennoch beidseitig vcc/viso 
anlegen...

von H. B. (communicator9)


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Der von Anja reicht auch, meiner war nur ein Beispiel aus der ADUM 
Serie.

Ich hab für sowaa ähnliches schon mal den ISOW7821 verwendet, deshalb 
habe ich den als erstes genannt.

von H. B. (communicator9)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> H. B. schrieb:
>> Du schliesst alles so an wie auf deinem 2. Bild - nur läst du den
>> DC/DC-Wandler weg.
>
> Dann fehlt dem aktiven Koppler auf der rechten Seite die
> Spannungsversorgung.

Ich meinte jetzt wenn man den iCoupler durch einen ISOW7821 oder 
ADUM5241 ersetzt.

von MaWin (Gast)


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Welche Signalpegel liegen denn auf den Leitungen, TTL oder RS232 ?

H. B. schrieb:
> Die UART des Motor Controllers hat 5V Pegel.
> Hat die Schnittstelle des Display´s auch 5V Pegel?

Welche Geschwindigkeit hat denn die Übertragung, 9600bd oder 115kbd ?

Seppl F. schrieb:
> Ich dachte an Optokoppler

Halte ich auch für das einfachste, wenn die Baudrate nicht zu hoch ist:
                 60-84V
                   |
                  12k/0.6W
          +----+   |
TX--270R--|A  C|---+--|<|--+
          |    |     ZD5V1 |
GND ------|K  E|--+---1k2--+-- GND (Display)
          +----+  |        
          PC827   +----------- RX       
          +----+
+5V ------|C  A|---270R--- TX
          |    |
RX ----+--|E  K|---------- GND (Display)
       |  +----+
      1k2
       |
GND ---+

von Karl B. (gustav)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> Dann fehlt dem aktiven Koppler auf der rechten Seite die
> Spannungsversorgung.

Hi,
prinzipiell brauchen beide Seiten Spannungsversorgung.
(BTW: Für PC gibt es den Trick, diese aus den "Handshake"-Anschlüssen zu 
generieren und zu "missbrauchen". Hier was anderes.)
Frage:
Ist die Rückführung der + 5V also GND mit der 60V-Rückführung GND
galvanisch getrennt oder nicht?
Woher kommen die +5 V. Nicht (intern heruntergesetzt) aus der Batterie?

ciao
gustav

: Bearbeitet durch User
von Clemens L. (c_l)


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MaWin schrieb:
> Seppl F. schrieb:
>> Ich dachte an Optokoppler
>
> Halte ich auch für das einfachste, wenn die Baudrate nicht zu hoch ist:
> ... PC827 ...

Der schafft keine 115 kbps. Und schnelle Modelle benötigen zumindest auf 
der Empfängerseite eine Stromversorgung.

von Seppl F. (passuff)


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Ich habe noch mal eine Zeichnung angehängt, die alle Details zusammen 
fasst.
Zusätzlich die Info:
Controller Insulation:
+5V, TTL/UART, CAN und IO sind auf dem selben GND. Batterie hat ein 
galvanisch getrenntes GND bzw. ist einfach B-.


H. B. schrieb:

> ...
> Du versorgst den Baustein auf der Motorcontroller Seite mit 5V.
> damit macht der integrierte DC/DC Wandler die 5V auf der Displayseite.
> Das wars.
> Auf der Displayseite nur noch die Leitungen RX, TX und GND anschliessen
> und die Abblockkondensatoren zwischen VISO und GND2.
> VISO wird nicht an das Display angeschlossen.

Ich habe versucht das im angehängten Bild so umzusetzen. Was würdest du 
für einen Kondensator empfehlen? Ich habe ich sonst noch etwas 
vergessen?
Gruß

: Bearbeitet durch User
von Michael F. (sharpals)


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Die würde er schon schaffen, nur bedarf es dann welche mit 
schmidtriggereingang und am ausgang am besten einen gegentaktausgang.

Hier ohne gegentaktausgang, aber durchaus brauchbar.

https://www.programmersought.com/article/2779785908/

von Heinz R. (heijz)


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Rein aus Neugierde:  Was ist das für ein Display das 60V benötigt?

von Anja (Gast)


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Seppl F. schrieb:
> Ich habe versucht das im angehängten Bild so umzusetzen. Was würdest du
> für einen Kondensator empfehlen? Ich habe ich sonst noch etwas
> vergessen?

Im Datenblatt steht 100nF (und zwar auf beiden Seiten des ADUM also 
2x100nF).
Auch die "Kühlflächen" lt. Datenblatt nicht vergessen der ADUM braucht 
ca 80 mA in dieser Anwendung.

Gruß Anja

von H. B. (communicator9)


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Seppl F. schrieb:
> Ich habe noch mal eine Zeichnung angehängt, die alle Details zusammen
> fasst.
> Zusätzlich die Info:
> Controller Insulation:
> +5V, TTL/UART, CAN und IO sind auf dem selben GND. Batterie hat ein
> galvanisch getrenntes GND bzw. ist einfach B-.
>
>
> H. B. schrieb:
>
>> ...
>> Du versorgst den Baustein auf der Motorcontroller Seite mit 5V.
>> damit macht der integrierte DC/DC Wandler die 5V auf der Displayseite.
>> Das wars.
>> Auf der Displayseite nur noch die Leitungen RX, TX und GND anschliessen
>> und die Abblockkondensatoren zwischen VISO und GND2.
>> VISO wird nicht an das Display angeschlossen.
>
> Ich habe versucht das im angehängten Bild so umzusetzen. Was würdest du
> für einen Kondensator empfehlen? Ich habe ich sonst noch etwas
> vergessen?
> Gruß

Sieht doch ganz gut aus.
Der Kondensator von VISO gegen GNDISO sollte 100nF haben -
Nimm einen ganz normalen 100nF/50V X7R und löte ihn direkt an den 
Baustein.
Dann löte noch einen 100nF zwischen VDD und GND, auch den direkt an den 
Baustein.

Das mit der Kühlfläche wie von Anja geschrieben hat dieser Baustein 
nicht.
Laut Datenblatt ist die auch nicht notwendig.

von H. B. (communicator9)


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Anja schrieb:
> Seppl F. schrieb:
>> Ich habe versucht das im angehängten Bild so umzusetzen. Was würdest du
>> für einen Kondensator empfehlen? Ich habe ich sonst noch etwas
>> vergessen?
>
> Im Datenblatt steht 100nF (und zwar auf beiden Seiten des ADUM also
> 2x100nF).
> Auch die "Kühlflächen" lt. Datenblatt nicht vergessen der ADUM braucht
> ca 80 mA in dieser Anwendung.
>
> Gruß Anja

Der Baustein hat keine Kühlfläche.
Wenn der Baustein bei sehr hohen Umgebungstemperaturen arbeiten soll, 
kann man über die Anschlusspins noch etwas Wärme abführen, aber ich 
glaube dass das beim TO nicht nötig ist.

Hier der Text aus dem Datenblatt:

THERMAL ANALYSIS
Each ADuM524x component consists of two internal die, attached to a 
split-paddle lead frame. For the purposes of thermal analysis, it is 
treated as
a thermal unit with the highest junction temperature reflected in the 
θJA value in Table 2.  The value of θJA is based on measurements taken 
with the part mounted on a JEDEC standard 4-layer PCB with fine-width 
traces in still air. Under normal operating conditions,  the ADuM524x 
operates at full load across the full temperature range without derating 
the output current. For example, a part with no external load drawing 80 
mA and dissipating 400 mW causes a 32°C temperature rise above ambient. 
It is normal for these devices to run warm. Following the 
recommendations in the PCB Layout section decreases the thermal 
resistance to the PCB allowing increased thermal margin at high ambient 
temperatures

von Seppl F. (passuff)


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Somit wäre alles paletti. Vielen Dank an alle Beteiligten.
Leider fällt mir gerade auf, dass man den ADUM5241 aktuell nicht 
bekommt.
Ich habe versucht etwas ähnliches zu finden, aber ich finde nichts in 
der kompakten Bauform. Sowohl der erwähnte ISO782, als auch der 
ADUM6422A haben mindestens 16 Pins.
Kennt jemand einen alternativen Baustein mit integriertem und isoliertem 
DC/DC Wandler im Format SOIC8?

von Anja (Gast)


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Seppl F. schrieb:
> aktuell nicht
> bekommt.

????
Arrow, Mouser, DigiKey ...

Gruß Anja

von Seppl F. (passuff)


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Die versenden doch von Übersee zu horrenden Preisen, oder? Ob das 
schneller geht? Teurer mit Sicherheit.
Dachte es gibr vl. einen alternativen Baustein den ich bei Reichelt oder 
RS Components bekomme.

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