Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik SPI-Bus mit mehreren Optokopplern


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von Heinz (Gast)


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Hallo,

ich habe vor für mein Projekt mehrere Karten auf eine Hauptplatine zu 
stecken und jede einzelne galvanisch zu trennen (s. 
Kartenanordnung.png).

Folgende Lösung habe ich gefunden.

https://www.vishay.com/docs/80052/opticalisolator.pdf

Hier wird aber nur ein Master von einem Slave getrennt. Ich habe 1 
Master und will 12 Slavekarten von diesem trennen. Also habe ich mir die 
oben angehängte Schaltung erdacht. Ich weiß nur leider nicht wie ich die 
Geschwindigkeit der Mosfets berechnen soll. Und vor allem welcher 
minimale Strom hierfür benötigt wird. Die Optokoppler können 10Mbd, da 
das meine ersten Berührungspunkte mit dem SPIBus sind, will ich nicht 
durch falsch ausgewählte Mosfets den Bus unnötig "verkrüppeln". Wenn ich 
nur nach td(on), tr, td(off), tf gehe, dann schaffen die Mosfets das 
locker (>62Mhz). Aber das wird nicht richtig sein.

P.S. Die angefügte Schaltung ist nicht vollständig. MOSI würde genau so 
aussehen wie CLK und CS fehlt auch noch. Außerdem ist die Sekundärseite 
nur bei einer Karte (IC3 und IC6) gezeichnet und vom potential natürlich 
getrennt. Am Ende wären es natürlich auch zwölf Karten und nicht Drei.

Mosfet
https://www.mouser.de/datasheet/2/408/SSM3K35AMFV_datasheet_en_20170217-1128731.pdf

von Falk B. (falk)


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Heinz schrieb:
> Hallo,
>
> ich habe vor für mein Projekt mehrere Karten auf eine Hauptplatine zu
> stecken und jede einzelne galvanisch zu trennen (s.
> Kartenanordnung.png).

Warum? Optokopplerfetisch? Hypochonder?
Die allermeisten (alle?) System dieser Art mit Backplane brauchen keine 
Optokoppler, weder für SPI noch für DEUTLICH schnellere Busse.

von Bernhard K. (bkom)


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Einfacher ist es eventuell mit der ADUM Serie von Analog Devices
Hier einer aus der ADUM-Familie zum Beispiel:
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADuM1200_1201.pdf

von H.Joachim S. (crazyhorse)


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Heinz schrieb:
> ich habe vor für mein Projekt mehrere Karten auf eine Hauptplatine zu
> stecken und jede einzelne galvanisch zu trennen

Warum?
Ja, es gibt ab und die Notwendigkeit das zu tun. Die allermeiste 
Elektronik funktioniert aber ohne Trennung.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Falk B. schrieb:
> Heinz schrieb:
>> ich habe vor für mein Projekt mehrere Karten auf eine Hauptplatine zu
>> stecken und jede einzelne galvanisch zu trennen
>
> Warum? Optokopplerfetisch? Hypochonder?
> Die allermeisten (alle?) System dieser Art mit Backplane brauchen keine
> Optokoppler, weder für SPI noch für DEUTLICH schnellere Busse.

Ich frage mich ob der TE das bis zum Ende durchdacht hat. Den Bus 
galvanisch zu trennen, reicht ja nicht. Er muß dann auch jedem Slot die 
Betriebsspannung(en) galvanisch getrennt zuführen. Also in seinem 
Beispiel 6 Netzteile bzw. ein Netzteil und 5 DC/DC-Wandler (pro 
Spannung).

Der Aufwand explodiert wie Bauschaum. Das macht man nicht mal aus einer 
Laune heraus. Das muß man wirklich brauchen.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Heinz schrieb:
> ich habe vor für mein Projekt mehrere Karten auf eine Hauptplatine zu
> stecken und jede einzelne galvanisch zu trennen
Diese Forderung macht dein System aber ziemlich unhandlich und teuer.
Willst du diese galvanische Trennung oder brauchst du sie?

> mehrere Karten auf eine Hauptplatine
Hat diese Hauptplatine eine einzige Masse für alle Steckplatinen und 
eine gemeinsame Versorgung?
Falls ja, dann sind Optokoppler völlig unsinnig. Denn eine Galvanische 
Trennung macht man nur, wenn man sie wegen der Anwendung unbedingt 
machen muss. In diesem Fall ist aber niemals die Masse zwischen den 
beteiligten Komponenten einfach durchverbunden, sondern die Versorgung 
muss dann natürlich auch potentialgetrennt sein.

Für SPI sind Optokoppler zudem meist ungünstig, weil die Beschaltung um 
die Optokoppler angesichts der Geschwindigkeit zeimlich inederohmig 
ausfallen muss. Nimm besser magnetische Koppler wie die ADUM oder die 
IL700/200:
https://www.all-electronics.de/wp-content/uploads/migrated/article-pdf/74725/ei06-06-032.pdf
https://www.nve.com/Isolators.php

von Clemens L. (c_l)


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Heinz schrieb:
> Ich weiß nur leider nicht wie ich die
> Geschwindigkeit der Mosfets berechnen soll.

Die hängt auch vom Strom und von der Lastkapazität ab. Und da verliert 
man irgendwann die Lust, das diskret aufzubauen, und nimmt einen Puffer 
wie z.B. SN74LVC07A (bei max. 24 mA pro Ausgang braucht man mehrere).

von Heinz (Gast)


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Danke, ich glaube das war echt etwas übertrieben. Ich wollte alle Karten 
gleich und tauschbar haben. Ihr habt aber recht, das wird viel zu 
aufwendig und zu teuer. Dann bau ich das jetzt so auf. Auf die 
Steckkarten kommen dann jeweils noch zwei LDOs für + und -5V.

https://www.analog.com/en/products/adum4154.html
https://www.mouser.de/datasheet/2/468/RxxP2xx-1709936.pdf

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Heinz schrieb:
> Ich wollte alle Karten gleich und tauschbar haben.

Dazu braucht man aber keine galvanische Trennung?

> Dann bau ich das jetzt so auf.

Da sehe ich ja immer noch den Schwachsinn? Entweder man braucht die 
galvanische Trennung oder man braucht sie nicht. Das kann doch echt 
nicht so schwer sein, das zu entscheiden.

von Bauform B. (bauformb)


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Heinz schrieb:
> Dann bau ich das jetzt so auf.

Tu's nicht. Gegen den ersten Plan hätte ich nichts gehabt -- man gönnt 
sich ja sonst nichts. Aber jetzt wird es richtig kompliziert, weil du 
jetzt 3 Masseschleifen hast. Und aktive Bauteile auf der Backplane sind 
auch nicht so toll.

> Auf die Steckkarten kommen dann jeweils noch zwei LDOs für + und -5V.

Anscheinend ist analoges auf den Karten, dann passt das schon.

von MCUA (Gast)


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> Das kann doch echt nicht so schwer sein, das zu entscheiden.
ich vermute der TO hast Angst vor L1 L2 L3 (ups, ist der N da nicht 
derselbe?).
höchstwahrsch. ist für diese Messanordnung (ADCs) hier keinerlei galv. 
Trennung nötig.
fraglich ist auch wie schnell je Kanal überhaupt gemessen werden soll, 
evtl. wäre da auch Mux möglich.

von Heinz (Gast)


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Bauform B. schrieb:
> Tu's nicht. Gegen den ersten Plan hätte ich nichts gehabt -- man gönnt
> sich ja sonst nichts. Aber jetzt wird es richtig kompliziert, weil du
> jetzt 3 Masseschleifen hast. Und aktive Bauteile auf der Backplane sind
> auch nicht so toll.

MCUA schrieb:
> ich vermute der TO hast Angst vor L1 L2 L3 (ups, ist der N da nicht
> derselbe?).
> höchstwahrsch. ist für diese Messanordnung (ADCs) hier keinerlei galv.
> Trennung nötig.
> fraglich ist auch wie schnell je Kanal überhaupt gemessen werden soll,
> evtl. wäre da auch Mux möglich.

Elektronik auf der Backplain ist selbstverständlich ungeschickt, wenn da 
mal was kaputt geht bau ich meinen Verteiler auseinander. Danke für den 
Denkanstoß. Als ich gerade die drei ADUM's auf die Masterplatine fummeln 
wollte, ist mir auch ein Licht aufgegangen. Also nur eine Trennung.

Das mit den Masseschleifen habe ich bei meiner Recherche hierzu auch 
gelesen. Ich habe nur eine niederohmige Verbindung zwischen N und GNDA 
direkt hinter dem DC/DC-WAndler (Masterplatine). Eine  Masseschleifen 
sollte ich dann doch nicht haben. Wenn ich hier etwas übersehe bitte 
schreien.

Spannung wird auf jeder Platine 1x gemessen. Der Strom wird 3x gemessen 
(differential) und einmal geschätzt(single-endend). ;)

Der ADC MCP3008 kommt auf eine Aufsteckplatine, weil das Ganze 
wahrscheinlich zu langsam ist um die Spannung und den Strom im Bezug auf 
die Phasenverschiebung zu ermitteln. Ich will damit erstmal ein bisschen 
spielen. Später, wenn ich etwas mehr Zeit habe will ich den MCP3008 
abstecken und mich mit Mikrocontrollern beschäftigen. Dann wird auf 
jeder Karte ein Mikrocontroller Werkeln, der nur noch die ausgerechneten 
Werte der Wirkleistung, Blindleistung, Strom und Spannung überträgt. So 
ist zumindest der Plan.

von Heinz (Gast)


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P.S. Das mit der Aufsteckplatine kann man missverstehen, weil ich die 
Strom-, Spannungsmesskarten ungünstigerweise MCP3008 genannt habe.

von MCUA (Gast)


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> Später....,
> ...und mich mit Mikrocontrollern beschäftigen
mach das doch vorher nicht nachher.
(etwas von Bussystemen könnte auch nichts schaden)
Du weist ja nichtmal wie schnell du samplen willst.
50 Hz sind keine 50 MHz.
Womöglich reicht hier eine einzige MCU aus, um das zu machen.

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