RS485 und das spanische Dorf "Potentialtrennung, Erdschleifen, Optoisolierung ...."
Rudolf Tomaszovits
Mehrere Microcontroller-Nodes bestehen aus AVR uC sollen über einen
2-Draht-RS485-Bus zusammengeschlossen werden. Für 2 Nodes tut dies
auch schon prächtig.
Immer wieder stosse ich auf die Begriffe: "Potentialtrennung,
Erdschleifen, Optoisolierung". Wann entstehen diese Probleme?
Fall 1
------
Jede Node verfügt über ein eigenes Netzteil. Der Node ist somit
galvanisch getrennt.
Fall 2
------
Der Bus führt nicht nur die A/B-Leitungen der RS485 sondern auch die
12V Versorgungsspannung, d.h. alle Nodes und der Bus fahren auf der
gleichen Versorgung.
Zu beiden Fällen folgende Fragen:
Kann ich jetzt die Nodes über RS485 (2-draht-Bus) miteinander
verbinden?
Es wird empfohlen die Schirmung mit Ground zu verbinden.
Reicht da das 0V-Potential des Prints oder ist da wirklich Erde
gemeint?
Habe ich da mit Potentialproblemen zu rechnen?
Wann treten diese Erdschleifen auf ?
Wenn ich an die Nodes, für Sensoren, längere Strecken von z.B. 5m
Kabel mit 0v und 5V herausführe, stört dass dann den Bus, oder ist der
Brumm nur für Audio relevant ?
Ersuche um Tipps welchen Weg ich wählen soll. Ich sag's gleich:
RS485-Optoisolierung ist mir aber zu komplex.
Carsten Kurz
> Fall 1
> ------
> Jede Node verfügt über ein eigenes Netzteil. Der Node ist somit
> galvanisch getrennt.
Falsch. Galvanisch getrennt heißt, daß keine elektrische Verbindung besteht. Das
tut Sie aber über die RS485 Leitung. Galvanisch getrennt wäre es, wenn in der
Leitung Übertrager oder Optokoppler drin wären.
Es gibt von Maxim potentialgetrennte RS485 Transceiver. Etwas teurer als die
normalen, aber das dürfte das einfachste sein.
Ciao - Carsten
--
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Thomas Beul
> Mehrere Microcontroller-Nodes bestehen aus AVR uC sollen über einen
> 2-Draht-RS485-Bus zusammengeschlossen werden. Für 2 Nodes tut dies
> auch schon prächtig.
>
> Immer wieder stosse ich auf die Begriffe: "Potentialtrennung,
> Erdschleifen, Optoisolierung". Wann entstehen diese Probleme?
Wenn die Schnittstelle nicht potentialfrei ist, sondern
erdbezogen, kann es Probleme durch unterschiedliche Erdpotentiale
geben. Obwohl der RS-485-Treiber das Signal differentiell
auswertet, funktioniert das ganze nur, solange beide Signale
nicht mehr als etliche Volt über der Masse des RS-485-Treibers
liegt. Wenn die Geräte an unterschiedlichen Standorten stehen
und lokal geerdet sind, kann dieser Bereich eventuell überschritten
werden. Gleiches gilt für erdbezogene Störsignale.
Um die Probleme zu vermeiden, verwendet man potentialfreie
Schnittstellen und einen 3-Draht-Bus mit mitgeführter Signalmasse.
Wenn Pull-Up und Pull-Down-Widerstände vorhanden sind, reicht
eventuell auch ein 2-Draht-Bus ohne mitgeführte Signalmasse.
Die Masse der RS-485-Treiber liegt dann in allen Geräten auf dem
gleichen Potential, auch wenn die Erdpotentiale an den Standorten
unterschiedlich sind.
> Fall 1
> ------
> Jede Node verfügt über ein eigenes Netzteil. Der Node ist
> somit galvanisch getrennt.
Potentialfrei gegenüber Erde ist er aber nur, wenn die
Gerätemasse nicht geerdet ist und auch sonst keine Verbindung
zu einem erdbezogenen Signal besteht, z. B. über einen Sensor.
Wenn die Gerätemasse tatsächlich potentialfrei gegenüber Erde ist,
ist eine zusätzliche galvanische Trennung der Schnittstelle nicht
notwendig.
Ansonsten muß die Schnittstelle galvanisch von der restlichen
Schaltung getrennt werden, die Signale über ausreichend schnelle
Optokoppler und die Versorgung z. B. über DC/DC-Wandler.
> Fall 2
> ------
> Der Bus führt nicht nur die A/B-Leitungen der RS485 sondern auch die
> 12V Versorgungsspannung, d.h. alle Nodes und der Bus fahren auf der
> gleichen Versorgung.
Bezüglich der RS-485 ist dieser Fall nicht sehr viel anders.
Es kommt darauf an, ob die Masse der Geräte einen Bezug zum lokalen
Erdpotential hat. Wenn das der Fall ist und Potentialunterschiede
auftreten, ist die gemeinsame Versorgungsspannung aber ohnehin schwierig.
> Zu beiden Fällen folgende Fragen:
> Kann ich jetzt die Nodes über RS485 (2-draht-Bus) miteinander
> verbinden?
2-Draht nur, wenn das Signal erdbezogen ist oder Pull-Up und
Pull-Down-Widerstände verwendet werden.
> Es wird empfohlen die Schirmung mit Ground zu verbinden.
> Reicht da das 0V-Potential des Prints oder ist da wirklich Erde
> gemeint?
Normalerweise wird der Schirm nicht an der Baugruppe angeschlossen,
sondern auf eine Erdungsschiene aufgelegt.
> Habe ich da mit Potentialproblemen zu rechnen?
Kommt auf den Potentialausgleich an.
> Wann treten diese Erdschleifen auf ?
Wenn Du die bereits bereits durch beidseitige Erdung verbundene Masse
nochmal verbindest.
> Wenn ich an die Nodes, für Sensoren, längere Strecken von z.B. 5m
> Kabel mit 0v und 5V herausführe, stört dass dann den Bus,
Das hat nichts mit Erdschleifen oder Potentialproblemen auf der
RS-485-Verbindung zu tun. Du kannst über die Kabel natürlich
Störungen ins jeweilige Gerät bekommen.
> oder ist der Brumm nur für Audio relevant ?
Kommt auf die Stärke an. Digitale Signale, zumal differentielle,
sind natürlich weniger störanfällig. Die analogen Signale Deiner
Sensoren schwanken halt.
> Ersuche um Tipps welchen Weg ich wählen soll. Ich sag's gleich:
> RS485-Optoisolierung ist mir aber zu komplex.
Komplex ist das überhaupt nicht, nur nicht ganz billig.
MfG
Thomas
Rudolf Tomaszovits
> > Fall 1
> > ------
> > Jede Node verfügt über ein eigenes Netzteil. Der Node ist somit
> > galvanisch getrennt.
>
> Falsch. Galvanisch getrennt heißt, daß keine elektrische Verbindung besteht. Das
> tut Sie aber über die RS485 Leitung. Galvanisch getrennt wäre es, wenn in der
> Leitung Übertrager oder Optokoppler drin wären.
>
> Es gibt von Maxim potentialgetrennte RS485 Transceiver. Etwas teurer als die
> normalen, aber das dürfte das einfachste sein.
>
> Ciao - Carsten
Falsch ist ja dein. Das ist ja klar, aber was mache ich dagegen.
Das ist ja mein eigentliches Problem, dass das System über den Bus verbundfen ist.
Wie soll ich mein Netzwerk aufbauen?
Ist der Fall 2 der richtige Weg?
Carsten Kurz
> Falsch ist ja dein. Das ist ja klar, aber was mache ich dagegen.
> Das ist ja mein eigentliches Problem, dass das System über den Bus verbundfen ist.
> Wie soll ich mein Netzwerk aufbauen?
> Ist der Fall 2 der richtige Weg?
Du musst Dich entscheiden/überzeugen, ob potentialgebunden ein Problem IST oder
nicht, nicht ob es eins sein könnte.
Dafür misst man im konkreten Aufbau eben mal die Unterschiede.
Wenn es keins ist, ist es okay. Wenn nicht, musst Du halt die teureren
potentialgetrennten Transceiver benutzen.
Rudolf Tomaszovits
> > Falsch ist ja dein. Das ist ja klar, aber was mache ich dagegen.
> > Das ist ja mein eigentliches Problem, dass das System über den Bus verbundfen ist.
> > Wie soll ich mein Netzwerk aufbauen?
> > Ist der Fall 2 der richtige Weg?
>
> Du musst Dich entscheiden/überzeugen, ob potentialgebunden ein Problem IST oder
> nicht, nicht ob es eins sein könnte.
>
> Dafür misst man im konkreten Aufbau eben mal die Unterschiede.
>
>
> Wenn es keins ist, ist es okay. Wenn nicht, musst Du halt die teureren
> potentialgetrennten Transceiver benutzen.
>
> Ciao - Carsten
Deinen Ansatz verstehe ich - teile ihn aber nicht.
Da ich in der Lage bin, mir die Realisierungsform zu wählen, möchte
ich jene wählen,
die mir präventiv *keine* Probleme macht.
Wenn ich es bisher richtig verstanden habe, ist es am einfachsten,
*eine* Versorgungsspannung für *alle* RS485-Teilnehmer zu wählen. Dann
haben *alle* ein Potential.
Carsten Kurz
> Deinen Ansatz verstehe ich - teile ihn aber nicht.
> Da ich in der Lage bin, mir die Realisierungsform zu wählen, möchte
> ich jene wählen,
> die mir präventiv *keine* Probleme macht.
> Wenn ich es bisher richtig verstanden habe, ist es am einfachsten,
> *eine* Versorgungsspannung für *alle* RS485-Teilnehmer zu wählen. Dann
> haben *alle* ein Potential.
Das geht doch nur, wenn die Nodes selbst keine weiteren elektrischen
Verbindungen haben, also was weiß ich, bei Umweltsensoren oder so.
Sobald die aber weiterführende elektrische Verbindungen haben, ist wieder Essig
mit dem gemeinsamen Potential. Abgesehen davon holst Du Dir über größere
Entfernungen auch andere Risiken rein.
Ob sowas geht, hängt auch vom Strombedarf der einzelnen Nodes in Verbindung mit
der Kabellänge ab. 5V mit ein paar Hundert mA wirst Du nicht ohne weiteres über
50m schicken können. Also mit höheren Spannungen arbeiten, 24 oder 48 Volt. Das
setzt bei den Nodes aber ggfs. wieder DC/DC Wandler voraus. Auch nicht eben
unkomplex.
Rudolf Tomaszovits
> > Deinen Ansatz verstehe ich - teile ihn aber nicht.
> > Da ich in der Lage bin, mir die Realisierungsform zu wählen, möchte
> > ich jene wählen,
> > die mir präventiv *keine* Probleme macht.
> > Wenn ich es bisher richtig verstanden habe, ist es am einfachsten,
> > *eine* Versorgungsspannung für *alle* RS485-Teilnehmer zu wählen. Dann
> > haben *alle* ein Potential.
>
> Das geht doch nur, wenn die Nodes selbst keine weiteren elektrischen
> Verbindungen haben, also was weiß ich, bei Umweltsensoren oder so.
> Sobald die aber weiterführende elektrische Verbindungen haben, ist wieder Essig
> mit dem gemeinsamen Potential. Abgesehen davon holst Du Dir über größere
> Entfernungen auch andere Risiken rein.
>
> Ob sowas geht, hängt auch vom Strombedarf der einzelnen Nodes in Verbindung mit
> der Kabellänge ab. 5V mit ein paar Hundert mA wirst Du nicht ohne weiteres über
> 50m schicken können. Also mit höheren Spannungen arbeiten, 24 oder 48 Volt. Das
> setzt bei den Nodes aber ggfs. wieder DC/DC Wandler voraus. Auch nicht eben
> unkomplex.
>
> Ciao - Carsten
Danke für deine Anregungen.
Habe jetzt folgenden Weg eingeschlagen:
Jede Node versorgt sich selbst mit einem Trafo. Brückengleichrichter
usw.
Die angeschlossenen Sensoren bleiben potentialfrei, d.h. sie werden
mit der Node-Spannung mitversorgt.
Alle Nodes werden mit dem RS485-Bus verbunden und mit Ground
zusammengeschalten (3-Draht-Bus). Somit beleiben die Nodes autark und
ich *hoffe*, hiermit keine Potentialunterschiede über den Bus zu
erhalten.
Nach meinem Verständnis, entspricht diese Koppelung, die eines
HIFI-Verbundes(unterschiedliche Geräte werden mit Audio-Kabel
verbunden).
LG RT