Verbindung Erdung - GND bei Schaltnetzteil
Markus Lackner
Bin gerade an einem Mikrocontroller Projekt beschäftigt. Es geht dabei
darum, ca. 300 LEDs an 20 Konstantstromtreibern Typ TI TLC5940 zu
betreiben und diese TLCs über einen Mikrocontroller mit serieller
Datenübertragung zu steuern. Das ganze sieht so aus, dass ich ein
zentrales Metallgehäuse habe, in dem ein Schaltnetzteil mit
ausgangsseitig 5V/10A und der Steuermikrocontroller eingebaut sind. Aus
diesem Metallgehäuse führt eine 9 polige Sub-D-Buchse zur
Datenübertragung an die TLCs sowie Kabel mit der 5V Versorgungsspannung
der TLCs + LEDs. Dann habe ich noch für jeden TLC eine eigene Platine
mit Sub-D-Buchse zum Datenempfang und Steckklemmen für die
Versorgungsspannung.
Da das Schaltnetzteil (Conrad Artikelnummer 511817-62) mit Netzspannung
betrieben wird, und ein Metallgehäuse verwendet wird, ist das Netzteil
und das Metallgehäuse natürlich mit der Erdung zu verbinden. Jetzt ist
es aber so, dass die Sub-D Buchse auch am Metallgehäuse festgeschraubt
ist und dadurch das Buchsengehäuse und die Schirmung des Datenkabels
auch mit der Erdung verbunden sind. Da diese Schirmung auch mit dem GND-
Anschluss des Schaltnetzteils verbunden ist, ist jetzt praktisch der
GND-Anschluss indirekt über die Sub-D Buchse mit der Erdung verbunden.
(Ich habe bei meinem Computer mit dem Multimeter nachgemessen. Dort ist
das Buchsengehäuse auch mit der Erdung und Netzteil-GND verbunden) Auf
den Platinen mit den Konstantstromtreibern ist die Schirmung ebenfalls
wieder mit GND verbunden, um Einstreuungen abzuleiten.
Soweit sogut.
Jetzt hab ich nur ein Problem im Fehlerfall, wenn am Gehäuse 230V
anliegen würden: Alle mit GND verbundenen Bauteile (Konstantstromtreiber
+ Mikrocontroller) würden durch die Verbindung von Erdung mit GND auch
kurzzeitig, an Netzspannung liegen, bis die Sicherung geht. Dadurch
würden diese Chips natürlich zerstört. Gibt es eine Möglichkeit eine Art
Schutzdioden einzubauen?
Oder liege ich falsch damit, das GND mit der Erdung verbunden sein kann?
Schonmal Danke für eure Antwort.
LG Markus
Rolf Mennekes
Erdungskonzept, EMV Verhalten, harte/weiche Erdung, sternförmige Erdung
usw. usw.).
Aber konkret zu deiner Frage zur kurzzeitigen Anhebung des PE/GND
Potenzials. Die 5VDC sind potential getrennt. Dadurch kann man die 5VDC
und das PE/GND Potential als Reihenschaltung betrachten. Wird nun das
PE/GND Potential angehoben (z.B. durch einen Schluss von 230VAC auf
Gehäuse), so liegen die 5VDC auf einem höheren Potential. Deine
Bausteine bekommen weiterhin nur 5VDC, sofern sie nicht (meist
kapazitiv) mit einem anderen Potential verbunden sind. Wäre z.B. die
+5VDC mit einem Heizungsrohr verbunden (auch über eine größere
Kapazität), so könnte kurzzeitig ein Spannungseinbruch/überhöhung (im
Extremfall eine Überspannung/Umpolung) erfolgen.
Zur Versinnbildlichung kannst du dir vorstellen, dass deine Schaltung
nicht auf "Erdpotential" (das nicht unbedingt 0 sein muss) liegt,
sondern batteriebetrieben auf einer 220kV Hochspannungsleitung. Würde
wunderbar funktionieren, solange deine Bauteile (incl. LEDs) weit genug
weg von einem anderen Potential (z.B. Erde) sind.
-------*--5VDC
| |
5VDC O Bauteil
| |
O------*-- GND / PE
|
X VAC
|
----------- Störspannung
Ich hoffe, die Zeichnung kommt einigermaßen raus.
Unabhängig von dem hier angesprochenen Problem kann ich nur jedem raten
sich mit dem Thema EMV und Erdung auseinander zu setzen. Das spart viele
schlaflose Nächte und einige graue Haare :-)
Probleme bei der oben beschriebenen Schaltung bekommst du unter
Umständen bei der Datenübertragung im Normalbetrieb. Ist z.B. deine PE
Impedanz in dem Stromkreis, wo du dein LED-Gerät angeschlossen hast
höher als die Impedanz Datenleitung - PC - PE, dann fließt ein Großteil
der abgeleiteten Störströme aus deinem Schaltnetzteil über den
Schirm/Masseleitung ab. Das freut die RS232. Oder sind die PE Potentiale
am Gerät und PC unterschiedlich, so fließt ein Ausgleichsstrom über den
Schirm und die Masseleitung. Auch ein netter Effekt. Aber es kommt immer
auf den aktuellen Fall an, ob es hier Probleme gibt.
Rolf
Rolf Mennekes
> Markus Lackner schrieb:
>
> -------*--5VDC
> | |
> 5VDC O Bauteil
> | |
> O------*--------------*-- GND / PE im Gerät
> | |
> X VAC Störspannung | Schirm/Masseleitung RS232
> | |
> | |
| |
----- "Erde P1" ----- "Erde P2"
///// /////
Zeichnung muss natürlich so aussehen.
PS: Wenn der Schirm und GND, wie hier beschrieben, hart angebunden sind,
fließt ein Teil des Kurzschlussstromes über den Schirm/Masseleitung der
Schnittstelle ab.
Rolf
Markus Lackner
Ich danke dir wirklich vielmals für die rasche und ausführliche Antwort.
Sprichst du aus Erfahrung, oder hast du irgendeinen Literaturverweis für
mich?
LG Markus
Rolf Mennekes
Bücher und Fachartikel.
Frag doch mal hier in der Runde, ob jemand aktuelle Literaturhinweise hat.
Rolf
Markus Lackner
Jetzt sind mir noch ein paar Gedanken durch den Kopf gegangen:
Überlegung 1:
Wenn ich GND überhaupt nicht mit PE verbinde, und die
Datenkabelschirmung über das Gehäuse nur mit PE verbinde, dann hätte ich
keine Probleme mit der Stromrückführung über die RS232 Masseschirmung.
Und Einstreuungen auf das Datenkabel werden weiterhin über Erde
abgeleitet, oder hab ich jetzt einen Denkfehler?
Aber wie sieht es dann mit den Leiterbahnabständen auf den LED-Platinen
aus? Nachdem mehrere Platinen in Serie geschalten sind, führe ich die 9
RS232 Pole + Schirmung vom Dateneingansstecker über die Platine zur
Datenausgangsbuchse (siehe angehängtes Bild). Wenn die Schirmung jetzt
jedoch auf nicht definiertem Potential der Erde liegt, und diese
angenommen 100V beträgt, kann es dann zu einem Funkenübersprung auf der
Leiterplatte von der Schirmungsbahn zu einer anderen kommen, oder ist
das durch die galvanische Trennung des Schaltnetzteils nicht möglich?
Überlegung 2:
Wenn ich die Schirmung nur im Metallgehäuse mit GND und PE verbinde,
jedoch auf den LED-Platinen keine Verbindung zwischen Schirmung und GND
habe, dann werden Einstreuungen weiterhin über PE/GND abgeleitet, aber
zu einer Stromrückführung über die Datenkabelschirmung kann es aufgrund
der Nichtverbindung Schirmung/GND auf der LED-Platine nicht kommen.
Was hältst du davon?
LG Markus
Dateneingang RS232
S 1 6 2 7 3 8 4 9 5 S
o o o o
o o | o | o | o | o o
* | | | | | | | | | *
* | | | | | | | | | *
* | | | | | | | | | *
* | | | | | | | | | *
o o | o | o | o | o o
o o o o
S 1 6 2 7 3 8 4 9 5 S
Datenausgang RS232
Rolf Mennekes
Die Bemerkung mit dem Abfließen des Kurzschlussstromes bezieht sich auf
eine Verbindung zwischen deinem Gerät und einem PC. Dann hast du 2
Erdungsstellen und der Strom verteilt sich.
Ich würde, ohne genaue Details zu kennen, den Schrim der RS232 nur beim
Netzteil erden und sonst niederohmig durchschleifen.
Wenn dein Gehäuse unter Spannung gesetzt wird, wird das ganze Gebilde
aus Gerät und LED Module auf ein anderes Potential gehoben. Im
eingeschwungenen Zustand stört das deine Schaltung kein bisschen. Nur im
Moment des Kontakts mit der Störspannung gibt es durch
Ladungsverschiebungen Spannungsdifferenzen zwischen z.B. Schirm und GND.
Zwischen GND und der Versorgungsspannung deiner ICs weniger, da das
normalerweise niederohmig ausgeführt ist. Müsste man aber im Einzelfall
prüfen. Bei sehr hochohmigen Designs muss man (nicht nur dabei) aufpassen.
Das sind aber alles Effekte, die bei 230VAC normalerweise keine Rolle
spielen. Du musst bedenken, dass bei der EMV Prüfung mehrer kV mit
steilen Flanken auf die Gehäuse, Kontakte, Kabel usw. gebracht werden
und es macht (hoffentlich) nichts aus.
Zwar haben diese Impulse wenig Energie, aber der statische Zustand
spielt ja eh keine Rolle. Der steile Spannungs/Stromanstieg macht die Musik.
Wichtig ist ein zentraler Erdungspunkt mit sternförmiger Erdung. Gibts
beim ESD Test Probleme, dann hilft oft eine kleine Drossel zwischen
Schutzerde und Funktionserde (aber man sollte schon auch die
Nebenwirkungen kennen un berücksichtigen).
Rolf
Uwe Hercksen
Markus Lackner schrieb:
> Aber wie sieht es dann mit den Leiterbahnabständen auf den LED-Platinen
> aus? Nachdem mehrere Platinen in Serie geschalten sind, führe ich die 9
> RS232 Pole + Schirmung vom Dateneingansstecker über die Platine zur
> Datenausgangsbuchse (siehe angehängtes Bild).
Hallo,
willst Du die RS232 Daten von einem Sender an mehrere
parallelgeschaltete Empfänger schicken?
Dafür ist RS422 oder RS485 besser geeignet, besonders bei längeren
Leitungen.
Bye
Markus Lackner
Nein, es ist ein Sender zu mehreren, in Serie geschalteten Empfängern.
Kabellänge wird ungefähr 8 Meter.
LG Markus