Konzept EvalKit für Spannungsversorgung und Daten auf einem Leitungspaar

[Ralf A. (warpnine)]

Hallo,

ich wünsche allen ein gutes neues Jahr.

Ich interessiere mich für Daten- und Energieübertragung über zwei 
Leitungen und bin am Überlegen, ob ich mir dazu Evalkits bastle. 
Rausgesucht hab ich mir den DCB1M der Fa. Yamar.
https://yamar.com/product/dcb1m/

Deren Evalkits sind doch recht happig im Preis, daher möchte ich eigene 
aufbauen. Das Yamar-Kit entspricht der Referenzschaltung aus dem 
Datenblatt plus einem nicht galvanisch getrennten Schaltregler 
(angeblich ein LM2594, m.E. laut Schaltplansymbol eher ein LM2674 o.ä. 
wegen dem Bootstrap-Kondensator - den hat der LM2594 soweit ich sehen 
kann nicht).

Die Hauptanwendung oder zumindest der Ursprung der Yamar-Produkte ist 
wohl das Auto, in der Grundschaltung also DC und Batteriebetrieb. Im 
Datenblatt und auf der Webseite sind aber auch Schaltungen für AC 
angegeben, wobei ich der Schaltung von der Website mehr traue.
https://yamar.com/ac-powerline-communication/

Ich hab keinen konkreten Anwendungsfall, daher würde ich ein Evalkit 
möglichst flexibel auslegen wollen und habe ein bisschen gegrübelt, wie 
ein Kit und das Versorgungskonzept aussehen könnte:

1) Ein AC/DC-Steckernetzteil 48V als Spannungsquelle. Gewählt hab ich 
diese relativ hohe Spannung, um den Leitungsquerschnitt niedrig zu 
halten. Der Strom hängt natürlich von der Anzahl der Teilnehmer und 
deren Stromverbrauch ab.

2) Den Signalpfad würde ich trotz DC-Versorgung als AC-Schaltung 
implementieren. Aufgrund des zusätzlichen Kondensators im Rückleiter 
wäre dieser Pfad galvanisch getrennt.

3) Der nicht isolierte Schaltregler wird durch einen isolierten 
DC/DC-Wandler ersetzt. Somit ist das Kit komplett galvanisch getrennt. 
Ausgangsspannung 5V, -strom 400mA. 3.3V für den DCB1M über einen LDO. 
Beide Spannungen werden zusammen mit den restlichen 
Daten-/Steuersignalen über Stiftleisten zur Verfügung gestellt.

4) Vor den DC/DC-Wandler kommt ein Gleichrichter plus Siebelko. Das 
ermöglicht es später mit AC-Versorgung zu experimentieren, vielleicht 
reicht dann ein einfacher Trafo als Spannungsquelle aus. Außerdem hätte 
es den Vorteil, dass man trotz DC-Versorgung nicht auf die Kabelbelegung 
achten muss. Der Bus wird dem Gleichrichter über Spulen an beiden 
AC-Anschlüssen zugeführt.

5) Ein NTC zwischen Gleichrichter und Siebelko, um den Einschaltstrom zu 
begrenzen - ebenfalls ein Grund für die hohe Eingangsspannung. Das ist 
bei nur einer Handvoll Teilnehmern vielleicht nicht so kritisch, aber 
wenn's mal mehr werden ist es denke ich sinnvoll. Damit der NTC im 
laufenden Betrieb nicht weiter vor sich hin kochen muss evtl ein 
3V-Relais, um den NTC zu überbrücken.

Das wär so mal das gröbste, ich hoffe ich hab nichts wichtiges 
vergessen. Nun zu den Fragen. Die allgemeine Frage ist, ob das ganze 
halbwegs plausibel klingt oder ob ich irgendwas übersehen habe bzw so 
nicht tun sollte. Und natürlich die Detailfragen:

1) Im Datenblatt ist von "100m Kabellänge ist praktikabel" die Rede. 
Leider fehlt die Angabe, ob sich das nur auf die Datenübertragung oder 
auch die Spannungsversorgung bezieht bzw. ob damit die Gesamtlänge oder 
die Distanz zwischen zwei Teilnehmern gemeint ist. DC-Versorgung über 
100m Kabellänge kann ich mir nicht so recht vorstellen, erst recht nicht 
mit mehreren Teilnehmern - ich gehe daher davon aus dass es auf die 
Datenübertragung bezogen ist. Ich hab's noch nicht durchgerechnet, aber 
ich unterstelle jetzt einfach mal: zumindest die ersten paar Segmente 
werden doch einen höheren Querschnitt brauchen, um den Widerstand so 
gering wie möglich zu halten. Unter 1,0mm² braucht man glaub ich nicht 
anfangen. Sollte man dann nicht gleich zur AC-Versorgung übergehen? Wie 
seht ihr das?

2) Wie schaut's mit Störabstrahlung aus? Funk ist nicht so meins. Muss 
ich hinsichtlich Leitungslänge zwischen den Teilnehmern und der 
Trägerfrequenz (5-30MHz) etwas beachten? Absichtlich will ich ja nicht 
funken und unbeabsichtigt schon gar nicht. Zwischen den Teilnehmern 
würde ich verdrillte Leitungen vorsehen. Gibt's sonst noch etwas das ich 
tun kann/sollte? Die Hersteller der DC/DC-Wandler geben mitunter 
Schaltungsempfehlungen für Eingangsfilter an, um bestimmte Normen zu 
erfüllen. Das würde ich natürlich soweit möglich auch abbilden.

3) Im Normalbetrieb besteht keine galvanische Verbindung zwischen den 
Teilnehmern oder einem Teilnehmer und der Spannungsversorgung. Wie ist 
das aber während der Softwareentwicklung? Ich nehm jetzt mal den 
klassischen RS485-Bus als Beispiel: da hätte man vermutlich zwei bis 
vier Microcontrollerkits auf dem Schreibtisch, deren RS-485-Bus 
untereinander verbunden ist, aber nur über 10-20cm. Spannungsversorgung 
sowie Debug-/Programmierschnittstelle ist USB, wie es eben bei 
Microcontrollerkits üblich ist. Das ist das, was der Software-Entwickler 
vmtl tun würde, während der Hardware-Entwickler noch am Layouten ist 
(und dessen Schaltung vielleicht einen DC/DC-Wandler und eine isolierte 
RS-485-Schnittstelle vorsieht). Jedenfalls eben nirgends eine 
galvanische Trennung. Da alles quasi an einem Punkt ist gibt's auch 
keinen Potentialunterschied und die Trennung ist hier auch nicht nötig, 
richtig? D.h. ich könnte das reine Microcontrollerkit (ohne 
Debug-/Programmierschnittstelle) mit den 5V aus meiner Schaltung 
versorgen und trenne die 5V von USB nach der 
Debug-/Programmierschnittstelle auf. Würde es dann so auch mit dem o.g. 
Konzept funktionieren oder fliegt mir da trotzdem alles um die Ohren? 
Wirklich galvanisch getrennt wäre in dem Fall dann nur der Bus selbst, 
also von AC/DC-Netzteil zu den DC/DC-Wandlern. PC und AC/DC-Netzteil 
"sehen" sich ja über die Steckdose und soweit ich weiß entspricht die 
PC-Masse (und USB-GND) dem Erdleiter. Ich wäre mindestens untröstlich, 
wenn wegen einer fehlenden galvanischen Trennung der 
Debug-/Programmierschnittstelle der Rechner ein verspätetes Feuerwerk 
abgibt.

Ganz ehrlich... ich hab zwar relativ viel Neuronen in das Konzept 
gesteckt und versucht, alles was mir so eingefallen ist zu beachten. 
Aber irgendwie beschleicht mich nun der Eindruck, dass diese 
"Zwei-Strippen-Für-Alles"-Lösungen wirklich nur im Auto/Flugzeug etc 
Sinn machen, weil man sich damit viel Kupfer spart, aber auch nur dann, 
wenn der Verbraucher hinten dran nicht wirklich viel Strom braucht. So 
richtig allgemein bewusst geworden ist mir das erst beim Formulieren der 
Fragen, speziell #1. Kann aber auch sein dass ich mich täusche... 
jedenfalls allein für die Erkenntnis hat sich die Tipperei schon gelohnt 
:)

Dass das ganze recht teuer werden würde ist mir bewusst. Alternativ 
könnte ich wirklich nur den DCB1M in der Grundschaltung vorsehen, die 
ganze Mimik "vorne dran" weglassen und den Bus ohne Spannung betreiben. 
Die "Schreibtischvariante mit USB-Versorgung" und ohne galvanische 
Trennung zum Ausprobieren müsste trotzdem funktionieren soweit ich es 
verstanden habe (außer es spricht was dagegen, die GNDs am USB-Hub 
miteinander zu verbinden). Und wenn man dann doch einen Anwendungsfall 
hat macht man sich (erneut) Gedanken um die Spannungsversorgung.

Ich bin gerade hin- und hergerissen ob, und wenn ja welche Variante ich 
aufbauen soll... Wie lautet eure Meinung zu dem Thema?

Grüße

[Dergute W. (derguteweka)]

Moin,

Ralf A. schrieb:
> Ich bin gerade hin- und hergerissen ob, und wenn ja welche Variante ich
> aufbauen soll... Wie lautet eure Meinung zu dem Thema?

Hoert sich fuer mich an wie: Habe vermeintliche Loesung, suche 
Problem...

Ich wuerde da erst Zeit/Geld/Gehirnschmalz reinstecken, wenn ich einen 
konkreten Fall haette.

Gruss
WK