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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik kapazitive Kopplung statt Transformator


Autor: Alexander T. (alext)
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Hallo,

ich habe ein HART-Modem konstruiert, bei dem die höherfrequenten Signal 
(1,2 und 2,2 kHz) über einen Trafo ein- und ausgekoppelt werden. Der 
Trafo ist aber nicht zufriedenstellend.
Nun habe ich mal 'ne Mail an den Hersteller geschickt, ob Trafo sein 
muss. Die Antwort war, dass auch eine Kondensatorschaltung geht:

"It is possible to have a solution using capacitors. However, if they 
decide to go this route, I would recommend adding a fast action fuse 
(50-100mA) and a crowbar circuit (two zener diodes facing opposite 
directions) to protect against any high voltage spikes occurring on the 
line. Also, make sure that the isolating capacitor is rated up to at 
least 100V."

Ich nehm also an, die Sicherung (Fuse) in Reihe zum Kondensator und die 
Z-Dioden entgegengesetzt jeweils parallel dazu, oder?
Was nehm ich da am Besten für Bauteile? Kondi, Sicherung, Z-Dioden?

Und was passiert bei einem Spannungspeak, wenn die Z-Dioden leitend 
werden? Bisher konnten beide Seiten auf unterschiedlichen Potentialen 
arbeiten, da die Kopplung nur induktiv war und keine leitende Verbindung 
bestand. Das ist in dem Fall dann ja nicht gegeben. Kann das Probleme 
machen?

Danke schonmal im Voraus

Alex

: Gesperrt durch Moderator
Autor: rene (Gast)
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Die verwendeten Frequenzen sind etwas sehr tief, bedingen daher einen 
grossen Trafo und auch grosse Kondensatoren. Die 100V sind natuerlich 
ein Witz, sollte 650VAC heissen falls man auf's Netz koppelt. Die beiden 
Seiten sind galvanisch nicht verbunden. Wenn eine Spannungsspitze kommt, 
werden die ZDioden leitend und leiten den Strom ab. Das ist ok. Ich 
wuerde auch Transzorb empfehlen, die sind etwas schneller. Falls auf das 
Netz gekoppelt wird, ist zu bedenken, dass es Vorschriften bezueglich 
Blindstrom gibt. Ich glaube mich zu erinnern, dass das Limit fuer 
Koppelkondensatoren bei bei 220nF liegt. Da kriegt man bei den genannten 
Frequenzen nicht viel Strom rueber. Eine bessere Wahl waere zB 
30-100kHz. Was soll denn die Reichweite sein ? auf dem Netz ?

Autor: Falk (Gast)
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@rene

>ein Witz, sollte 650VAC heissen falls man auf's Netz koppelt.

HART-Modems werden üblicherweise eigentlich nur auf 4-20mA 
Stromschleifen gekoppelt, die Spannungen dort sind typ. 24V, teilweise 
höher.

>Frequenzen nicht viel Strom rueber. Eine bessere Wahl waere zB
>30-100kHz.

HART ist HART, das läuft mit 2100/1100 Hz FSK.

MFG
Falk

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Soweit ich das hier verstehe, geht die HART-Kommunikation huckepack auf 
einer 4-20mA-Stromschleife. Das steht nichts von Netzspannung:
http://www.hartcomm2.org/hart_protocol/application...
Die unterere Grenzfrequenz liegt laut Zeichnung bei 500 Hz, die obere 
bei 10kHz.

Autor: Alexander T. (alext)
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Ihr habt natürlich beide recht.
Was nehme ich also für einen Kondi? Sprich: was für eine Kapazität?
Und sollte ich dann auch eine Z-Diode mit annähernd 100V Z-Spannung 
nehmen?

MfG

alex

Autor: Falk (Gast)
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@Alexander

>Was nehme ich also für einen Kondi? Sprich: was für eine Kapazität?

Nun, da muss man mal rechnen.

Wenn das Modem Daten auf die Stromschleife schickt, dann passiert die 
Einspeisung AFAIK auf einen 250 Ohm Serienwiderstand. Die beiden 
Koppel-Cs liegen damit faktisch in Reihe. Bei der niedrigsten Frequenz 
(1100 Hz) sollte noch keine nennenswerte Dämpfung eintreten 
(RC-Hochpass).

f = 1/(2*Pi*R*C)

f = 1100Hz
R = 250 Ohm

->

C = 0,578 uF

Macht pro Kondensator etwas mehr als 1 uF.

>Und sollte ich dann auch eine Z-Diode mit annähernd 100V Z-Spannung
>nehmen?

Das ist wohl eher ein wenig viel. Ich würde zwei Z-Dioden jeweils gegen 
Masse sowie differentiell einen Varistor/Transorb schalten. Die 
Z-Dioden/Varistorspannungen müssen naürlich im Bereich der Spannung 
liegen, die die Schaltung verkraftet, also irgendwo bei 5V.

MFG
Falk

Autor: Alexander T. (alext)
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hi falk,

was heißt "koppel-Cs in reihe"? kann ich mir das so vorstellen:

<meine schaltung>
  |   |
  =   =
  |   |
--|-R-|--<4-20mA-Schleife>
  |   |
  Z   Z
  |   |
GND   GND

?

Mit R=250 Ohm?

MfG

alex

Autor: Falk (Gast)
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Genau.

MfG
Falk

Autor: Alexander T. (alext)
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klasse! danke!

Autor: Falk (Gast)
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Wobei deine Z-Dioden auf der Seite deiner Schaltung sitzen müssen, nicht 
an der Stromschleife.

MFG
Falk

Autor: Alexander T. (alext)
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also eher so:

<meine schaltung>
 |  |   |  |
 Z  =   =  Z
 |  |   |  |
GND |   | GND
    |   |
----|-R-|--<4-20mA-Schleife>

?

mfg

alex

Autor: Falk (Gast)
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Fast. Es fehlt noch der diiferentielle Schutz zwischen den Cs (auf der 
Seite deiner Schaltung).

MFg
Falk

Autor: Alexander T. (alext)
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was bedeutet differentieller schutz?

Autor: Ich (Gast)
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   <meine schaltung>
 |  |            |  |
 Z  =            =  Z
 |  |            |  |
GND |   Z    Z   | GND
    |--->|--|<---|
----|-----R------|--<4-20mA-Schleife>


Etwa so. Wie es der Supportmensch schrieb, zwei Z-Dioden 'face-to-face'.

Autor: Alexander T. (alext)
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wie funktionieren dann die gegensätzlichen Z-Dioden?
und was für welche nehm ich da am besten?

Autor: Ich (Gast)
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Wieder gilt: Eine einzelne Diode hat etwa den Wert was deine Schaltung 
an Spannung kann.

Funktion: Angenommen eine die Z-Dioden haben jeweils eine 
Durchbruchspannung von 5V (in 'Sperrrichtung') und eine Flussspannung 
(in 'Flussrichtung') von 0,7V. Wenn nun eine Spannungsspitze auftritt 
(generiert über den Strom durch R) die über 5,7V ist, wird die Diode, 
die in Sperrichtung ist, leitend (evtl. Randeffekte um herum diesen 
Spannungswert sind hier nebensächlich) und somit wird der Eingang 
kurzgeschlossen - die Schaltung wird geschützt.

Autor: Ich (Gast)
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Entschuldige bitte meine Grammatik. Es ist noch früh.    ; )

Autor: Alexander T. (alext)
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kein problem mit der deutsch ;-)

danke nochmal. dann kann ich ja die zwei z-dioden von meiner schaltung 
auf masse weglassen.

Autor: Ich (Gast)
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Nochwas: Wenn die Stromschleife einen Arbeitspunkt hat, dann pack die 
Z-Dioden hinter die Kondensatoren.

Autor: Alexander T. (alext)
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wie könnte eine stromschleife einen arbeitspunkt haben? das hängt doch 
von den geräten, die dranhängen und deren eingangswiderständen ab, oder 
nicht?
innenwiderstand eines HART-Systems ist 230-1100 ohm...

Autor: Ich (Gast)
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'Arbeitspunkt' war in der Tat ein etwas unglücklich gewähltes Wort. Ich 
meinte allgemein nur einen Konstantstrom (der Gleichspannung über R 
erzeugt).

Autor: Alexander T. (alext)
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oder eher so:

   <meine schaltung>
(+)                  (-)
 |                    |
 |--|--->|--|<---|----|
    |    Z  Z    |
    =            =
    |            |
    |            |
----|-----R------|--<4-20mA-Schleife>

?

Autor: Alexander T. (alext)
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na der Strom variiert zwischen 3,5 und 20,5 mA 
(4-20-mA-Stromschnittstelle + HART-Signal mit VAC=0,5mA).
also kein Konstantstrom.

Autor: Alexander T. (alext)
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oder eher so:

   <meine schaltung>
(+)                  (-)
 |                    |
 |--|------------|----|
    |            |
    |--->|--|<---|
    |    Z  Z    |
    =            =
    |            |
    |            |
----|-----R------|--<4-20mA-Schleife>

?

aber so sind die z-dioden kurzgeschlossen. ist auch mist.
bloß bei der variante oben müsste der widerstand meines systems doch 
kleiner als das R (230 ohm) sein, damit überhaupt der hauptteil des 
stroms durch mein system fließt, oder nicht? und das wäre nicht der 
fall...

Autor: Falk (Gast)
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Ein Bild sagt mehr als tausend Worte.

MfG
Falk

Autor: Alexander T. (alext)
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ok,
alles klar erstmal.
danke soweit...

mfg

alex

Autor: Robért (Gast)
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Welche Kondensatoren nimmt man dafür. Sind Tantal OK oder gehen auch 
schlechtere bzw. brauch man da bessere? Welche Kondensatoren sind 
allgemein für die kap. Kopplung geeignet?

Grüße
Robért

Autor: Falk (Gast)
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@Robért

>Welche Kondensatoren nimmt man dafür. Sind Tantal OK oder gehen auch

AHHHH, bloss nicht! Die sind a) polar (+ und minus muss beachtet werden) 
und ausserdem SEHR sensibel gegenüber Überspannung und Pulsströmen.

>schlechtere bzw. brauch man da bessere? Welche Kondensatoren sind
>allgemein für die kap. Kopplung geeignet?

Ich würde in die Richtung Folienkondensator oder Metall-Papier gehen, 
die sind unpolar und spannungsfest (wenns sein muss bis 1000V und mehr). 
Und sie sind nicht so sensibel gegen überspannung, einige Typen sind 
sogar selbstheilend.

MFG
Falk


Autor: Tobias Kölling (dakalle)
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Hallo allerseits,

ich versuche momentan auch ein HART-Modem zum laufen zu bringen. Es soll 
ein HART-Master sein. Eine Induktive Ankopplung kommt vermutlich nicht 
in frage, da ich keine Transformatoren gefunden hab, die eine Temperatur 
von -40°C verkraften. Also interessiere ich mich für die hier 
besprochene Ankopplung.

Mein Problem dabei ist folgendes: Wo kann ich die 24VDC Spannungsquelle 
für die Stromschleife anschließen und v.a. kann ich das HART-Modem mit 
gleichem GND-Potenzial wie dem der 24V-Spannungsquelle betreiben, oder 
muss ich eine Galvanische Trennung vorsehen?
Ausserdem habe ich in meinem vorläufigen Modem-Layout nur eine 
Verbindung zur Stromschleife (nach 
http://www.amis.com/pdf/transceivers/a5191hrt_an.pdf , Seite 22), die 2. 
Verbindung soll vermutlich über GND gehen.

Vielen Dank im Vorraus,

Tobias

Autor: Seff (Gast)
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Transformatoren sollten ueberigens jkein Problem sein. Schau mal unter 
"stromkompensierte Drossel" von EPCOS. Ein Ferrit Ringkern mit 2 
Wicklungen drauf. Ich wuerd so bei 1mH schauen.

Autor: Tobias Kölling (dakalle)
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Ich hab mir jetzt mal 5 so Drosseln von EPCOS besorgt, mal sehn obs 
klappt.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Tobias Kölling (dakalle)

>Ich hab mir jetzt mal 5 so Drosseln von EPCOS besorgt, mal sehn obs
>klappt.

Was glaubst du, warum die Drossel Drossel heisst und nicht Trafo?

Mfg
Falk

Autor: Tobias Kölling (dakalle)
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> @ Tobias Kölling (dakalle)
>
>>Ich hab mir jetzt mal 5 so Drosseln von EPCOS besorgt, mal sehn obs
>>klappt.
>
> Was glaubst du, warum die Drossel Drossel heisst und nicht Trafo?

Ich habe absolut keine Ahnung...

Grüße, Tobias

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